本發(fā)明公開了一種副邊復(fù)合式補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電池?zé)o線充電系統(tǒng)，涉及電池?zé)o線充電技術(shù)，適用于電動(dòng)汽車和醫(yī)療器械等電池?zé)o線充電場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

無(wú)線充電技術(shù)是以電磁場(chǎng)為媒介，通過(guò)電磁理論傳輸電能的一種新興技術(shù)。由于供電端和受電端之間沒有電氣和機(jī)械連接，使用方便，安全可靠，因此，無(wú)線充電技術(shù)有極大的應(yīng)用前景。

電池充電通常包括恒流充電和恒壓充電兩個(gè)階段，因此無(wú)線充電系統(tǒng)需向電池提供其所需的恒流和恒壓輸出。無(wú)線充電系統(tǒng)中采用的松耦合變壓器，耦合系數(shù)低，漏感值大，在電路中不可避免地產(chǎn)生無(wú)功環(huán)流，增加了器件應(yīng)力和損耗，因此需要補(bǔ)償其無(wú)功能量，一般采用電容來(lái)補(bǔ)償變壓器漏感產(chǎn)生的無(wú)功能量。在整個(gè)電池充電過(guò)程中，電池的等效負(fù)載在一個(gè)很大的范圍內(nèi)變化，在寬的負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)所需的恒流或恒壓，并且保證零無(wú)功能量或零輸入相位角(Zero Phase Angle,ZPA)，通常采用控制手段，但恒頻脈寬調(diào)制(PWM)和變頻控制通過(guò)調(diào)節(jié)占空比或頻率只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制目標(biāo)，例如實(shí)現(xiàn)零無(wú)功能量，其恒流或恒壓輸出依靠后級(jí)變換器來(lái)調(diào)節(jié)，增加了電路的成本和體積。因此，很多研究采用補(bǔ)償電路本身特性來(lái)兼顧以上兩個(gè)目標(biāo)，例如，在特定工作頻率下，串串(SS)和并并(PP)同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒流和輸入ZPA，而串并(SP)和并串(PS)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒壓和輸入ZPA，因此，充電系統(tǒng)可工作在定頻狀態(tài)，簡(jiǎn)化控制。其中，PP和PS結(jié)構(gòu)需要電流源供電，通常采用電壓源串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)電流源輸入，因此PP和PS結(jié)構(gòu)亦被稱為L(zhǎng)CL-P和LCL-S結(jié)構(gòu)。

但單個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法滿足先恒流后恒壓輸出的要求，因此以上四種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行組合，通過(guò)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)恒流與恒壓模式的切換。組合后的SS/SP、SS/PS、PP/SP和PP/PS均有可能實(shí)現(xiàn)先恒流后恒壓的輸出。為減少補(bǔ)償器件和切換開關(guān)的個(gè)數(shù)，具有相同的補(bǔ)償參數(shù)和諧振頻率的網(wǎng)絡(luò)可優(yōu)化組合，因此，四種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的組合只有SS/PS和PP/SP兩種復(fù)合式結(jié)構(gòu)具有相同的諧振頻率和補(bǔ)償參數(shù)，不需要額外增加諧振器件，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓輸出與無(wú)功全補(bǔ)償，但模式切換開關(guān)均在原邊供電側(cè)，因此模式開關(guān)的控制需通過(guò)發(fā)射端與接收端之間的通信系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸，控制相對(duì)復(fù)雜，可靠性低。另外兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)SS/SP和PP/PS，其模式開關(guān)均在副邊，避免了發(fā)射端與接收端之間的復(fù)雜通信，但補(bǔ)償頻率和參數(shù)并不完全相同，因此需增加額外補(bǔ)償器件才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓輸出與無(wú)功全補(bǔ)償。亦有研究對(duì)兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)采用相同的補(bǔ)償參數(shù)，實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓切換，但無(wú)法保證在整個(gè)工作過(guò)程中全補(bǔ)償無(wú)功能量，無(wú)功能量增大器件應(yīng)力，降低傳輸效率。

由以上分析可知，目前可同時(shí)實(shí)現(xiàn)副邊模式切換、近似零無(wú)功能量和恒流-恒壓輸出的復(fù)合結(jié)構(gòu)暫時(shí)未有。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明提出兩組復(fù)合式副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電池?zé)o線充電系統(tǒng)：SS/S-LCL和LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)副邊模式轉(zhuǎn)換開關(guān)可實(shí)現(xiàn)負(fù)載所需的恒流-恒壓輸出，并且同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)功功率近似為零和開關(guān)器件的軟開關(guān)，解決了恒流-恒壓模式切換開關(guān)在原邊需要增加通信的技術(shù)問題，提高了無(wú)線充電系統(tǒng)的可靠性，亦解決現(xiàn)有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)恒流或恒壓的參數(shù)與無(wú)功全補(bǔ)償?shù)念l率點(diǎn)不一致的技術(shù)問題，減少模式開關(guān)和補(bǔ)償器件的個(gè)數(shù)。

技術(shù)方案：

SS/S-LCL充電系統(tǒng)包括依次連接的高頻全橋逆變電路1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2、松耦合變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)5、全橋整流濾波電路6，其中，所述原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2對(duì)于SS/S-LCL結(jié)構(gòu)而言通過(guò)原邊補(bǔ)償電容C_P實(shí)現(xiàn)，原邊補(bǔ)償電容C_P的一端與高頻全橋逆變電路1的某一橋臂中點(diǎn)相連，原邊補(bǔ)償電容C_P的另一端連接松耦合變壓器3的原邊繞組的一端，松耦合變壓器3原邊繞組的另一端與高頻全橋逆變電路1的另一橋臂中點(diǎn)相連，所述副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4包括：副邊附加電感L_Y和副邊補(bǔ)償電容C_S，原邊附加電感L_X的一端、副邊補(bǔ)償電容C_S的一極與松耦合變壓器3副邊繞組相連，原邊附加電感L_X的另一端與切換網(wǎng)絡(luò)中第二開關(guān)相連，副邊補(bǔ)償電容C_S的另一極與切換網(wǎng)絡(luò)中第一開關(guān)相連，所述恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)5包括：第一開關(guān)S₁、第二開關(guān)S₂、第三開關(guān)S₃，第一開關(guān)S₁的一端接副邊補(bǔ)償電容C_S的一極，第一開關(guān)S₁的另一端、第二開關(guān)S₂的一端均接全橋整流濾波電路6的某一橋臂中點(diǎn)，第二開關(guān)S₂的另一端接副邊附加電感L_Y，第三開關(guān)S₃的一端接松耦合變壓器3副邊繞組的另一端，第三開關(guān)S₃的另一端接全橋整流濾波電路6的另一橋臂中點(diǎn)，副邊附加電感的感值與松耦合變壓器副邊自感感值相同。

對(duì)于LCL-LCL/LCL-S充電系統(tǒng)而言，原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2通過(guò)原邊附加電感L_X和補(bǔ)償電容C_P實(shí)現(xiàn)，原邊附加電感L_X一端與高頻全橋逆變電路1的某一橋臂中點(diǎn)相連，原邊附加電感L_X的另一端連接松耦合變壓器3原邊繞組的一端，松耦合變壓器3原邊繞組的另一端與高頻全橋逆變電路1的另一橋臂中點(diǎn)相連，原邊補(bǔ)償電容C_P并聯(lián)在松耦合變壓器3的原邊，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)5的電路結(jié)構(gòu)與SS/S-LCL充電系統(tǒng)相同。

原邊附加電感L_X與松耦合變壓器原邊自感L_P的電感值相同，副邊附加電感L_Y與松耦合變壓器副邊自感L_S的電感值相同，原邊補(bǔ)償電容C_P、副邊補(bǔ)償電容C_S按照選取，其中，ω為系統(tǒng)工作的角頻率。

SS/S-LCL在電池充電的恒流階段，閉合第一開關(guān)S₁，斷開第二開關(guān)S₂和第三開關(guān)S₃，電路為SS補(bǔ)償方式，充電系統(tǒng)進(jìn)入恒流工作模式，輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電流I_BAT：輸入阻抗Z_IN：在電池充電的恒壓階段，斷開第一開關(guān)S₁，閉合第二開關(guān)S₂和第三開關(guān)S₃，電路拓?fù)錇镾-LCL補(bǔ)償，充電系統(tǒng)進(jìn)入恒壓工作模式，輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電壓V_BAT：輸入阻抗Z_IN：V_Opeak為輸出電壓峰值。

LCL-LCL/LCL-S在電池充電的恒流階段，斷開第一開關(guān)S₁，閉合第二開關(guān)S₂和第三開關(guān)S₃，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為L(zhǎng)CL-LCL補(bǔ)償，充電系統(tǒng)進(jìn)入恒流工作模式，輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電流I_BAT：輸入阻抗Z_IN為：在電池充電的恒壓階段，閉合第一開關(guān)S₁，斷開第二開關(guān)S₂和第三開關(guān)S₃，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為L(zhǎng)CL-S補(bǔ)償，充電系統(tǒng)進(jìn)入恒壓工作模式，輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電壓V_BAT：輸入阻抗Z_IN：

以上，I_Opeak為交流側(cè)輸出電流峰值，V_Opeak為交流側(cè)輸出電壓峰值，V_IN為輸入的直流電壓，D為占空比，M為松耦合變壓器原副邊繞組的互感值，k為松耦合變壓器的耦合系數(shù)，R為電池等效電阻。

有益效果：

(1)本發(fā)明提出了通過(guò)控制副邊模式切換開關(guān)可直接實(shí)現(xiàn)電池恒流或恒壓輸出的電池?zé)o線充電系統(tǒng)，具體涉及SS/S-LCL和LCL-LCL/LCL-S這兩種復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)需增加額外補(bǔ)償器件，通過(guò)定頻控制即可簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)合拓?fù)湓诤懔髂Ｊ胶秃銐耗Ｊ街g的切換，且復(fù)合拓?fù)涔ぷ饔诤懔骱秃銐耗Ｊ降膮?shù)與無(wú)功全補(bǔ)償?shù)念l率點(diǎn)一致，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)暫無(wú)同時(shí)實(shí)現(xiàn)副邊模式切換、近似零無(wú)功能量和恒流-恒壓輸出的復(fù)合結(jié)構(gòu)的缺陷。

(2)副邊模式切換開關(guān)通過(guò)副邊信號(hào)反饋控制，無(wú)需與原邊發(fā)射端通信，避免了復(fù)雜通信，可靠性高。

(3)在整個(gè)充電過(guò)程中，變換器輸入阻抗近似為純阻性，避免無(wú)功環(huán)流，減小器件應(yīng)力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的軟開關(guān)，提高效率。

附圖說(shuō)明

圖1是SS/S-LCL的復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖2是LCL-LCL/LCL-S的復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖3(a)、圖3(b)是兩個(gè)拓?fù)湔髑昂蟮碾娏骱碗妷翰ㄐ螆D；

圖4是SS/S-LCL復(fù)合拓?fù)浜懔髂Ｊ较拢姵氐牡刃щ娮铻?5Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和I_Bat波形；

圖5是SS/S-LCL復(fù)合拓?fù)浜懔髂Ｊ较?，電池的等效電阻?8Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和I_Bat波形；

圖6是SS/S-LCL復(fù)合拓?fù)浜銐耗Ｊ较?，電池的等效電阻?8Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和V_Bat波形；

圖7是SS/S-LCL復(fù)合拓?fù)浜銐耗Ｊ较拢姵氐牡刃щ娮铻?6Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和V_Bat波形。

圖8是LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浜懔髂Ｊ较拢姵氐牡刃щ娮铻?5Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和I_Bat波形；

圖9是LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浜懔髂Ｊ较拢姵氐牡刃щ娮铻?8Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和I_Bat波形；

圖10是LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浜銐耗Ｊ较拢姵氐牡刃щ娮铻?8Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和V_Bat波形；

圖11是LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浜銐耗Ｊ较拢姵氐牡刃щ娮铻?6Ω時(shí)的v_gate、v_AB、i_IN和V_Bat波形。

圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1為高頻全橋逆變電路，2為原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，3為松耦合變壓器，4為副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，5為恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)，6為全橋整流濾波電路，Q₁、Q₂、Q₃、Q₄為第一、第二、第三、第四功率管，S₁、S₂、S₃為第一、第二、第三開關(guān)，L_X為原邊附加電感，L_Y為副邊附加電感，C_P為原邊補(bǔ)償電容，C_S為副邊補(bǔ)償電容，D₁、D₂、D₃、D₄為第一、第二、第三、第四二極管，C_o為輸出濾波電容。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明和技術(shù)方案對(duì)具體的實(shí)施步驟進(jìn)行說(shuō)明。

本發(fā)明公開的副邊復(fù)合式補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電池?zé)o線充電系統(tǒng)，具體有圖1所示的SS/S-LCL復(fù)合結(jié)構(gòu)和圖2所示的LCL-LCL/LCL-S復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括：高頻全橋逆變電路1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2(圖1中為原邊補(bǔ)償電容C_P，圖2中為原邊補(bǔ)償電容C_P和原邊附加電感L_X)、松耦合變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4(副邊補(bǔ)償電容C_S和副邊附加電感L_Y)、恒流-恒壓切換網(wǎng)絡(luò)5、全橋整流濾波電路6、負(fù)載電池7。恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)5包括：第一開關(guān)S₁、第二開關(guān)S₂、第三開關(guān)S₃。高頻全橋逆變電路1包括第一、第三功率管Q₁、Q₃組成的一個(gè)橋臂，第二、第四功率管Q₂、Q₄組成的另一個(gè)橋臂，第一、第三功率管Q₁、Q₃的連接點(diǎn)為橋臂中點(diǎn)A，第二、第四功率管Q₂、Q₄的連接點(diǎn)為橋臂中點(diǎn)B。全橋整流濾波電路6包括第一、第三二極管D₁、D₃組成的一個(gè)橋臂，第二、第四二極管D₂、D₄組成的另一橋臂，輸出濾波電容C_o。對(duì)于這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)工作頻率ω：L_X＝L_P，L_Y＝L_S。

圖1所示的SS/S-LCL結(jié)構(gòu)：當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)S₁閉合，第二開關(guān)S₂、第三開關(guān)S₃斷開時(shí)，電路處于恒流充電狀態(tài)，輸入阻抗Z_IN為輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電流當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)S₁斷開，第二開關(guān)S₂、第三開關(guān)S₃閉合時(shí)，電路處于恒壓充電狀態(tài)，輸入阻抗Z_IN為輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電壓R為電池等效電阻。

圖2所示的LCL-LCL/LCL-S結(jié)構(gòu)：當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)S₁斷開，第二開關(guān)S₂、第三開關(guān)S₃閉合時(shí)，電路處于恒流充電狀態(tài)，輸入阻抗Z_IN為輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電流當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)S₁閉合，第二開關(guān)S₂、第三開關(guān)S₃斷開時(shí)，電路處于恒壓充電狀態(tài)，輸入阻抗Z_IN為輸出與電池負(fù)載無(wú)關(guān)的恒定電壓

電池開始充電時(shí)，首先進(jìn)入恒流充電模式，電流保持在I_BAT，同時(shí)電壓不斷上升，直至達(dá)到臨界電壓V_BAT，兩種復(fù)合拓?fù)湔髑昂蟮碾娏鞑ㄐ稳鐖D3(a)所示。此時(shí)模式切換開關(guān)動(dòng)作，系統(tǒng)的恒流補(bǔ)償電路切換到恒壓補(bǔ)償電路，電路進(jìn)入恒壓輸出模式，輸出電壓V_BAT，恒壓充電階段，電池電壓保持恒定，電流逐漸下降，當(dāng)電流近似為0時(shí)，結(jié)束充電，兩種復(fù)合拓?fù)湔髑昂蟮碾妷翰ㄐ稳鐖D3(b)所示。

圖4至圖7以SS/S-LCL拓?fù)錇槔?，?yàn)證副邊復(fù)合式補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電池?zé)o線充電系統(tǒng)的有效性。采用的松耦合變壓器耦合系數(shù)為0.625，原邊自感為24.77uH，副邊自感為24.77uH，輸入電壓V_IN為24V，占空比D＝1，由理論計(jì)算恒流充電電流為1A，恒壓充電電壓為38V。設(shè)開關(guān)頻率為200kHz，附加電感值分別與各邊自感值相等，原、副邊補(bǔ)償電容C_P和C_S分別為25.57nF和25.57nF。

圖4和圖5給出了SS/S-LCL復(fù)合拓?fù)浜懔髂Ｊ较?，電池等效阻抗分別為15Ω和38Ω時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)v_gate、橋臂電壓v_AB、輸入電流i_IN和輸出電流I_Bat的波形。從圖中可以看出，當(dāng)電池的等效電阻從15Ω變到38Ω時(shí)，輸出電流保持1A，不隨負(fù)載發(fā)生變化。輸入電流i_IN和橋臂電壓v_AB基本同相，有效減少無(wú)功能量，輸入電流略滯后于橋臂電壓，便于MOSFET開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，減少開關(guān)損耗。

圖6和圖7給出了SS/S-LCL復(fù)合拓?fù)浜銐耗Ｊ较?，電池等效阻抗分別為38Ω和76Ω時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)v_gate、橋臂電壓v_AB、輸入電流i_IN和輸出電壓V_Bat的波形。當(dāng)電池電壓上升到38V時(shí)，電池的充電模式從恒流充電變?yōu)楹銐撼潆姟膱D中可以看出，電池的等效電阻從38Ω變到76Ω時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在38V，具有良好的恒壓特性。輸入電流i_IN和橋臂電壓v_AB基本同相，有效減少無(wú)功能量，輸入電流略滯后于橋臂電壓，便于MOSFET開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，減少開關(guān)損耗。

圖8至圖11以LCL-LCL/LCL-S拓?fù)錇槔?yàn)證副邊復(fù)合式補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電池?zé)o線充電系統(tǒng)的有效性。采用與圖4至圖7相同的變壓器，耦合系數(shù)為0.625，原邊和副邊自感均為24.77uH。輸入電壓V_IN為24V，占空比D＝1。由理論計(jì)算此時(shí)恒流充電電流為0.4A，恒壓充電電壓為15V。設(shè)開關(guān)頻率為200kHz，，附加電感值分別與各邊自感值相等，原、副邊補(bǔ)償電容C_P和C_S分別為25.57nF和25.57nF。

圖8和圖9給出了LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浜懔髂Ｊ较?，電池等效阻抗分別為15Ω和38Ω時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)v_gate、橋臂電壓v_AB、輸入電流i_IN和輸出電流I_Bat的波形。從圖中可以看出，當(dāng)電池的等效電阻從15Ω變到38Ω時(shí)，輸出電流保持0.4A，不隨負(fù)載發(fā)生變化。輸入電流i_IN和橋臂電壓v_AB基本同相，有效減少無(wú)功能量，輸入電流略滯后于橋臂電壓，便于MOSFET開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，減少開關(guān)損耗。

圖10和圖11給出了LCL-LCL/LCL-S復(fù)合拓?fù)浜銐耗Ｊ较?，電池等效阻抗分別為38Ω和76Ω時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)v_gate、橋臂電壓v_AB、輸入電流i_IN和輸出電壓V_Bat的波形。當(dāng)電池電壓上升到15V時(shí)，電池的充電模式從恒流充電變?yōu)楹銐撼潆姟膱D中可以看出，電池的等效電阻從38Ω變到76Ω時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定在15V，具有良好的恒壓特性。輸入電流i_IN和橋臂電壓v_AB基本同相，有效減少無(wú)功能量，輸入電流略滯后于橋臂電壓，便于MOSFET開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，減少開關(guān)損耗。