本發(fā)明涉及一種恒流恒壓感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)通過磁場以非接觸的方式向用電器進(jìn)行靈活、安全、可靠供電，避免了傳統(tǒng)拔插式電能傳輸系統(tǒng)存在的接觸火花、漏電等安全問題。該技術(shù)已經(jīng)廣泛運用于內(nèi)置式醫(yī)療裝置、消費電子產(chǎn)品、照明和電動汽車等領(lǐng)域。其中，運用感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)對電池進(jìn)行無線充電的發(fā)展前途巨大。為了實現(xiàn)電池安全充電，延長電池的使用壽命和充放電次數(shù)，通常主要包括恒流和恒壓兩個充電階段。即在充電初期采用恒流模式，電池電壓迅速增加；當(dāng)電池電壓達(dá)到充電設(shè)定電壓時，采用恒壓模式充電，充電電流逐漸減小直至達(dá)到充電截止電流，充電完成。也即對電池進(jìn)行充電的感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)應(yīng)能提供恒定的電流和電壓。現(xiàn)有的無線充電系統(tǒng)的主要構(gòu)成及工作過程為：工頻交流電經(jīng)過整流成為直流，經(jīng)過逆變器后直流電逆變成高頻交流電，高頻交變電流注入初級線圈，產(chǎn)生高頻交變磁場；次級線圈在初級線圈產(chǎn)生的高頻磁場中感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢通過高頻整流后向負(fù)載提供電能。由于負(fù)載(電池)的等效阻抗是變動的，所以在一定輸入電壓下系統(tǒng)難以輸出負(fù)載所需的恒定電流或電壓。為解決該問題，通常的方法有兩種：一、在電路系統(tǒng)中引入閉環(huán)負(fù)反饋控制，如在逆變器前加入控制器調(diào)節(jié)輸入電壓或者采用移相控制，或者在次級線圈整流后加入DC-DC變換器；其缺陷是，增加了控制成本和復(fù)雜性，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。二、采用變頻控制，系統(tǒng)工作在兩個不同頻率點實現(xiàn)恒流和恒壓輸出，但是該方法會出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是使感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)既能輸出恒流也能輸出恒壓，適用于對電池進(jìn)行充電，特別是單個電源下多負(fù)載的充電，如對多輛電動車同時充電；且其控制方便、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低。本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的第一種技術(shù)方案是，一種恒流恒壓感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成；發(fā)送部分包括：依次連接的直流電源、高頻逆變器、初級補(bǔ)償電容和初級線圈；接收部分包括：依次連接的次級線圈、恒流恒壓切換電路一、次級補(bǔ)償電感、整流濾波電路和電池負(fù)載；其特征在于，所述的次級線圈兩端并聯(lián)有恒流恒壓切換電路一，所述的恒流恒壓切換電路一的組成是：次級恒壓電容與次級附加串聯(lián)電容串聯(lián)后再并聯(lián)于次級線圈的兩端，且切換開關(guān)一與次級附加串聯(lián)電容并聯(lián)，切換開關(guān)一的控制端與控制器一相連。進(jìn)一步，本發(fā)明的次級恒壓電容的電容值由式(1)確定：C‾SV=8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ28E‾VBL‾Sω2---(1)]]>所述的次級附加串聯(lián)電容的電容值由式(2)確定：C‾SS=(8E‾+ωMIBπ2)[8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ2]8IB(πE‾L‾S)2ω3---(2)]]>所述的初級補(bǔ)償電容的電容值由式(3)確定：C‾P=IBL‾Sπ2IB(L‾PL‾S-M2)π2ω2-8ωE‾M---(3)]]>所述次級補(bǔ)償電感的電感值由式(4)確定：L‾L=8VBωIBπ2---(4)]]>式(1)、(2)、(3)和(4)中，為直流電源的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級線圈和次級線圈的電感值。本發(fā)明的第一種技術(shù)方案的使用方法是：控制器一控制切換開關(guān)一斷開，系統(tǒng)即工作于恒流模式，對負(fù)載輸出恒定電流，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電流IB；適合電池充電初期采用。控制器一控制切換開關(guān)一閉合，感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)工作于恒壓模式，系統(tǒng)工作于恒壓模式，對負(fù)載輸出恒定電壓，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電壓VB；適合電池充電后期、電池電壓達(dá)到充電設(shè)定電壓時采用。本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的所采用的第二種技術(shù)方案是，一種恒流恒壓感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成；發(fā)送部分包括：依次連接的直流電源、高頻逆變器、初級補(bǔ)償電容和初級線圈；接收部分包括：依次連接的次級線圈、恒流恒壓切換電路二、次級補(bǔ)償電感、整流濾波電路和電池負(fù)載；其特征在于，所述的次級線圈兩端并聯(lián)有恒流恒壓切換電路二，所述的恒流恒壓切換電路二的組成是：次級恒流電容并聯(lián)于次級線圈兩端；次級附加并聯(lián)電容和切換開關(guān)二串聯(lián)后再并聯(lián)于次級恒流電容上，且切換開關(guān)二的控制端與控制器二相連。進(jìn)一步，所述的次級恒流電容的電容值由式(5)確定：C‾SC=8E+ωMIBπ28EL‾Sω2---(5)]]>所述的次級附加并聯(lián)電容的電容值由式(6)確定：C‾SP=IBπ28ωVB---(6)]]>所述的初級補(bǔ)償電容的電容值由式(7)確定：C‾P=IBL‾Sπ2IB(L‾PL‾S-M2)π2ω2-8ωE‾M---(7)]]>所述的次級補(bǔ)償電感的電感值由式(8)確定：L‾L=8VBωIBπ2---(8)]]>式(5)、(6)、(7)和(8)中，為直流電源的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級線圈和次級線圈的電感值。本發(fā)明的第二種技術(shù)方案的使用方法是：控制器二控制切換開關(guān)二斷開，系統(tǒng)即工作于恒流模式，對負(fù)載輸出恒定電流，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電流IB；適合電池充電初期采用?？刂破鞫刂魄袚Q開關(guān)二閉合，感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)工作于恒壓模式，系統(tǒng)工作于恒壓模式，對負(fù)載輸出恒定電壓，即向電池提供設(shè)定的恒定充電電壓VB；適合電池充電后期、電池電壓達(dá)到充電設(shè)定電壓時采用。本發(fā)明兩種方案中系統(tǒng)輸出恒定電流和恒定電壓的理論分析和電路原理是：圖3、4為本發(fā)明的電路拓?fù)涞南到y(tǒng)等效電路圖。根據(jù)圖4的T型等效電路圖可知：L‾P′=L‾P-ML‾S′=L‾S-M---(9)]]>設(shè)系統(tǒng)工作角頻率為ω，為了簡化分析，將電容值為的初級補(bǔ)償電容CP和電感值為的電感L'P等效為一個電感LPe，其電感值為滿足如下關(guān)系：L‾Pe=L‾P′-1C‾Pω2---(10)]]>根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可以推導(dǎo)得出系統(tǒng)輸入電壓電流和輸出電壓電流的關(guān)系如下：U·LI·L=a11a12a21a22U·PI·P---(11)]]>其中，a12＝a22＝0，即表明系統(tǒng)輸出電壓和電流均與輸入電流無關(guān)，a11=MRL1(B-AC‾Sω2)RL1+j[(A+BL‾L)ω-AC‾SL‾Lω3]RL0..A=ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′B=M+L‾Pe]]>設(shè)流經(jīng)等效電阻的電流與系統(tǒng)輸入電壓的比值為Gi，由式(11)可得系統(tǒng)電流增益Gi：Gi=I·LU·P=a21---(12)]]>為了使Gi不隨負(fù)載變化而變化，應(yīng)令a21分母中的的系數(shù)為零，即：B-AC‾Sω2=0---(13)]]>從而得出恒流輸出(CC)模式下的次級總補(bǔ)償電容Cs的電容值C‾SCT=BAω2=M+L‾Pe(ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′)ω2---(14)]]>將次級總補(bǔ)償電容Cs的值代入式(12)，取模值得到系統(tǒng)在恒流輸出(CC)模式下的電流增益：|Gi|=MAω=M(ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′)ω---(15)]]>同理，設(shè)系統(tǒng)輸出電壓與輸入電壓的比值為Gv，由式(11)可得系統(tǒng)電壓增益Gv：Gv=U·LU·P=a11---(16)]]>要使得等效電阻RL的端電壓與負(fù)載無關(guān)，需要滿足a11分母中的的系數(shù)為零，即：j[(A+BL‾L)ω-ACSL‾Lω3]=0---(17)]]>從而得出恒壓輸出(CV)模式下的次級總補(bǔ)償電容Cs的電容值C‾SVT=1L‾Lω2+BAω2=ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′+ML‾L+L‾PeL‾L(ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′)L‾Lω2---(18)]]>將次級總補(bǔ)償電容Cs的電容值值代入式(16)，取模值得到系統(tǒng)在恒流輸出(CV)模式下的電壓增益：|Gv|=ML‾LA=ML‾L(ML‾Pe+ML‾S′+L‾PeL‾S′)---(19)]]>逆變器的輸出電壓基波有效值和其輸入直流電壓的關(guān)系為：UP=22πE‾---(20)]]>整流濾波電路的輸入電壓UL、電流IL的基波有效值和輸出電壓VB、電流IB的關(guān)系為：UL=22VBπIL=π2IB4---(21)]]>將式(9)、(10)、(20)和(21)代入式(12)，求出初級補(bǔ)償電容(CP)的電容值C‾P=IBL‾Sπ2IB(L‾PL‾S-M2)π2ω2-8ωE‾M---(22)]]>將式(9)、(10)、(20)、(21)和(22)代入式(16)，求出次級補(bǔ)償電感LL的電感值L‾L=8VBωIBπ2---(23)]]>將式(9)、(10)和(22)代入式(14)，得到恒流輸出(CC)模式下的次級總補(bǔ)償電容的電容值C‾SCT=8E‾+ωMIBπ28E‾L‾Sω2---(24)]]>將式(9)、(10)、(22)和(23)代入式(18)，得到恒壓輸出(CV)模式下的次級總補(bǔ)償電容值C‾SVT=8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ28E‾VBL‾Sω2---(25)]]>由于恒流模式下所需的次級總補(bǔ)償電容值和恒壓模式下所需的次級總補(bǔ)償電容值大小不同，所以需要在次級電路增加一個附加電容和切換開關(guān)來改變電容值，從而實現(xiàn)恒流和恒壓模式的切換，而附加電容可以通過并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式接入電路。如圖1所示的第一種方案，次級恒壓電容CSV的取值等于在開關(guān)一(S1)閉合時，次級附加串聯(lián)電容CSC被短路，恒流恒壓切換電路一(Q1)的總電容值則等于恒壓模式下的次級總補(bǔ)償電容值故此方案下開關(guān)一(S1)閉合時，系統(tǒng)工作于恒壓輸出(CV)模式；在開關(guān)一(S1)斷開時，次級恒壓電容CSV和次級附加串聯(lián)電容CSS串聯(lián)，其總電容值由式(26)決定1C‾S1=1C‾SV+1C‾SS---(26)]]>取合適的次級附加串聯(lián)電容CSS使的取值等于則此時恒流恒壓切換電路一(Q1)的總電容值則等于恒流模式下的次級總補(bǔ)償電容值故此方案下開關(guān)一(S1)斷開時系統(tǒng)工作于恒流輸出(CC)模式，進(jìn)一步，將式(24)和(25)代入式(26)可求得次級附加串聯(lián)電容CSS的電容值為：C‾SS=(8E‾+ωMIBπ2)[8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ2]8IB(πE‾L‾S)2ω3---(27)]]>如圖2所示的第二種方案，次級恒流電容CSC的取值等于在開關(guān)二(S2)斷開時，次級附加并聯(lián)電容CSP被開路，恒流恒壓切換電路二(Q2)的總電容值則等于恒流模式下的次級總補(bǔ)償電容值故此方案下開關(guān)二(S2)斷開時，系統(tǒng)工作于恒流輸出(CC)模式；在開關(guān)二(S2)閉合時，次級恒流電容CSC和次級附加串聯(lián)電容CSP并聯(lián)，其總電容值由式(28)決定C‾S2=C‾SC+C‾SP---(28)]]>取合適的次級附加并聯(lián)電容CSP使的取值等于則此時恒流恒壓切換電路二(Q2)的總電容值則等于恒壓模式下的次級總補(bǔ)償電容值故此方案下開關(guān)二(S2)斷開時系統(tǒng)工作于恒壓輸出(CV)模式，進(jìn)一步，將式(24)和(25)代入式(28)可求得次級附加并聯(lián)電容CSP的電容值為：C‾SP=IBπ28ωVB---(29)]]>與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：一、本發(fā)明提出的恒流恒壓感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，在恒流恒壓切換電路中兩個由系統(tǒng)參數(shù)值確定的特定電容值的電容、在開關(guān)的切換下，能分別得到恒流充電模式下所需的總補(bǔ)償電容值和恒壓充電模式下所需的總補(bǔ)償電容值；從而能在同一工作頻率下輸出與負(fù)載無關(guān)的恒定電流和恒定電壓，滿足電池初期恒流充電、后期恒壓充電的要求。系統(tǒng)工作在一個頻率點下，不會出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。二、本發(fā)明只需在次級電路加入兩個電容和一個開關(guān)組成的恒流恒壓切換電路，其電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。工作時只需簡單的控制開關(guān)的切換，沒有復(fù)雜的控制策略，也無需次級電路和初級電路進(jìn)行通信；其控制簡單、方便，可靠。三、該系統(tǒng)電路參數(shù)確定后，輸出的與負(fù)載無關(guān)的恒定電流和恒定電壓只與高頻逆變器輸出電壓有關(guān)，故可將該系統(tǒng)高頻逆變器后的電路并聯(lián)于同一個高頻逆變器上，實現(xiàn)同時對多個電池或充電設(shè)備充電，大大減少了多電池負(fù)載充電時的高頻逆變器數(shù)量，降低充電成本。下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例1的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例2的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的等效電路圖。圖4是本發(fā)明的T型等效電路圖。具體實施方式實施例1圖1示出，本發(fā)明的第一種具體實施方式是，一種恒流恒壓感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成；發(fā)送部分包括：依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、初級補(bǔ)償電容CP和初級線圈LP；接收部分包括：依次連接的次級線圈LS、恒流恒壓切換電路一Q1、次級補(bǔ)償電感LL、整流濾波電路D和電池負(fù)載Z；其特征在于，所述的次級線圈LS兩端并聯(lián)有恒流恒壓切換電路一Q1，所述的恒流恒壓切換電路一Q1的組成是：次級恒壓電容CSv與次級附加串聯(lián)電容CSS串聯(lián)后再并聯(lián)于次級線圈LS的兩端，且切換開關(guān)一S1與次級附加串聯(lián)電容CSS并聯(lián)，切換開關(guān)一S1的控制端與控制器一K1相連。本例中：所述的次級恒壓電容CSV的電容值由式(1)確定：C‾SV=8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ28E‾VBL‾Sω2---(1)]]>所述的次級附加串聯(lián)電容CSS的電容值由式(2)確定：C‾SS=(8E‾+ωMIBπ2)[8E‾VB+(MVB+E‾L‾S)ωIBπ2]8IB(πE‾L‾S)2ω3---(2)]]>所述的初級補(bǔ)償電容CP的電容值由式(3)確定：C‾P=IBL‾Sπ2IB(L‾PL‾S-M2)π2ω2-8ωE‾M---(3)]]>所述次級補(bǔ)償電感LL的電感值由式(4)確定：L‾L=8VBωIBπ2---(4)]]>式(1)、(2)、(3)和(4)中，為直流電源E的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級線圈LP和次級線圈LS的電感值。實施例2圖2示出，本發(fā)明的第二種具體實施方式是，一種恒流恒壓感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)，由發(fā)送部分和接收部分組成；發(fā)送部分包括：依次連接的直流電源E、高頻逆變器H、初級補(bǔ)償電容CP和初級線圈LP；接收部分包括：依次連接的次級線圈LS、恒流恒壓切換電路二Q2、次級補(bǔ)償電感LL、整流濾波電路D和電池負(fù)載Z；其特征在于，所述的次級線圈LS兩端并聯(lián)有恒流恒壓切換電路二Q2，所述的恒流恒壓切換電路二Q2的組成是：次級恒流電容CSC并聯(lián)于次級線圈LS兩端；次級附加并聯(lián)電容CSP和切換開關(guān)二S2串聯(lián)后再并聯(lián)于次級恒流電容CSC上，且切換開關(guān)二S2的控制端與控制器二K2相連。本例中：所述的次級恒流電容CSC的電容值由式(5)確定：C‾SC=8E+ωMIBπ28ELSω2---(5)]]>所述的次級附加并聯(lián)電容CSP的電容值由式(6)確定：C‾SP=IBπ28ωVB---(6)]]>所述的初級補(bǔ)償電容CP的電容值由式(7)確定：C‾P=IBL‾Sπ2IB(L‾PL‾S-M2)π2ω2-8ωE‾M---(7)]]>所述次級補(bǔ)償電感LL的電感值由式(8)確定：L‾L=8VBωIBπ2---(8)]]>式(5)、(6)、(7)和(8)中，為直流電源E的輸出電壓值，ω為系統(tǒng)工作角頻率，IB為設(shè)定充電電流，VB為設(shè)定充電電壓，分別為初級線圈LP和次級線圈LS的電感值。當(dāng)前第1頁1 2 3