恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，適用于電動(dòng)汽車(chē)和手機(jī)等電 池?zé)o線充電場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002] 感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)W交變的電磁場(chǎng)為媒介，將能量傳輸?shù)截?fù)載。由于無(wú)直 接的電氣接觸，因而能夠避免電火花，不受環(huán)境的影響，可W在惡劣的環(huán)境下工作。目前，感 應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)在消費(fèi)電子、照明、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域獲得到了廣泛的應(yīng)用。其中，給 電池?zé)o線充電是一項(xiàng)十分重要的應(yīng)用。
[0003] 電池充電有4個(gè)充電階段，其中恒流階段和恒壓階段是其主要階段，因此，電池的 無(wú)線充電裝置需能夠提供恒流-恒壓特性的輸出。松禪合變壓器是感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸?shù)?核屯、器件，由于較大氣隙的存在，漏感較大，因此需要電容來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。通常有4種基 本的補(bǔ)償方式：串串（SS)、串并（S巧、并串（P巧、并并（P巧。補(bǔ)償后的系統(tǒng)輸出特性較為復(fù) 雜，與變壓器的參數(shù)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、頻率和負(fù)載均有關(guān)。為了能夠輸出所需要的電壓和電流，通 常有兩種控制方式；定頻占空比控制和變頻控制。定頻占空比控制能夠有效補(bǔ)償無(wú)功，輸出 通過(guò)改變占空比來(lái)調(diào)節(jié)。但是，電池在充電過(guò)程中，等效電阻變化較大，較大的占空比變化 難W保證開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)關(guān)狂ero-voltageSwitching,ZV巧。變頻控制通過(guò)改變頻率來(lái)調(diào) 節(jié)輸出，但是無(wú)功功率無(wú)法被全部補(bǔ)償，此外，變頻控制也會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0004] 單個(gè)控制及單個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，因此可采用多級(jí)控制或多個(gè)拓?fù)浣M 合的方式來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。例如，可采用變換器級(jí)聯(lián)和兩級(jí)控制方式，通過(guò)變頻控制來(lái)實(shí)現(xiàn) 輸入電壓和電流零相位差狂ero-phaseAngle，ZPA)，輸出的電壓和電流則通過(guò)后級(jí)變換器 和控制來(lái)調(diào)節(jié)。但是，該方式會(huì)降低系統(tǒng)的效率，成本較高，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜。采用多 個(gè)拓?fù)浣M合的方式，例如通過(guò)SS和SP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流-恒壓輸出，同時(shí)滿(mǎn)足 ZPA。但SS實(shí)現(xiàn)恒流特性的原邊電容和SP實(shí)現(xiàn)恒壓的原邊電容不同，因此在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)切換 時(shí)，原邊需要在不同電容值之間切換，副邊需要在串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行切換，切換的開(kāi) 關(guān)數(shù)目較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引發(fā)明目的；為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出兩組恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充 電系統(tǒng)；SS/PS和SP/PP復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，W解決單個(gè)控制及單個(gè)拓?fù)錈o(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，變 換器級(jí)聯(lián)和多級(jí)控制方式效率低且成本高，多個(gè)拓?fù)浣M合的方式切換開(kāi)關(guān)多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的技 術(shù)問(wèn)題。
[0006] 技術(shù)方案：
[0007]SS/PS結(jié)構(gòu)的恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，包括；依次連接的高頻逆變 電路、恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)、原邊補(bǔ)償電路、松禪合變壓器、副邊補(bǔ)償電路、整流濾波電 路，其中，
[000引所述恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)包括：第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第=開(kāi)關(guān)，所述原邊補(bǔ) 償電路包括；附加電感、原邊補(bǔ)償電容，副邊補(bǔ)償電路為副邊補(bǔ)償電容，
[0009] 所述高頻逆變電路輸入端接有直流電壓源，第一開(kāi)關(guān)一端、第二開(kāi)關(guān)一端均與高 頻逆變電路的一個(gè)橋臂中點(diǎn)連接，第一開(kāi)關(guān)另一端、第=開(kāi)關(guān)一端均與原邊補(bǔ)償電容一極 連接，第二開(kāi)關(guān)另一端與附加電感一端連接，原邊補(bǔ)償電容另一極、附加電感另一端均與松 禪合變壓器原邊繞組一端連接，第=開(kāi)關(guān)另一端、松禪合變壓器原邊繞組另一端均與高頻 逆變電路的另一個(gè)橋臂中點(diǎn)連接，副邊補(bǔ)償電容一極接松禪合變壓器副邊繞組一端，副邊 補(bǔ)償電容另一極接整流濾波電路一橋臂中點(diǎn)，松禪合變壓器副邊繞組另一端接整流濾波電 路另一橋臂中點(diǎn)。
[0010] 原邊補(bǔ)償電容Cp與松禪合變壓器的原邊電感Lp諧振，副邊補(bǔ)償電容Cs與副 邊電感Ls諧振，附加電感的電感值Lx與原邊電感的電感值Lp相同，系統(tǒng)工作頻率《 :
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，包括：依次連接的高頻逆變電路（I)、恒 流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)（2)、原邊補(bǔ)償電路（3)、松耦合變壓器（4)、副邊補(bǔ)償電路（5)、整流 濾波電路（6)，其中， 所述恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)（2)包括：第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)，所述原邊補(bǔ)償 電路包括：附加電感、原邊補(bǔ)償電容，副邊補(bǔ)償電路為副邊補(bǔ)償電容， 所述的高頻逆變電路（1)輸入端接有直流電壓源，第一開(kāi)關(guān)一端、第二開(kāi)關(guān)一端均與 高頻逆變電路（1)的一個(gè)橋臂中點(diǎn)連接，第一開(kāi)關(guān)另一端、第三開(kāi)關(guān)一端均與原邊補(bǔ)償電 容一極連接，第二開(kāi)關(guān)另一端與附加電感一端連接，原邊補(bǔ)償電容另一極、附加電感另一端 均與松耦合變壓器（4)原邊繞組一端連接，第三開(kāi)關(guān)另一端、松耦合變壓器（4)原邊繞組 另一端均與高頻逆變電路（1)的另一個(gè)橋臂中點(diǎn)連接，副邊補(bǔ)償電容一極接松耦合變壓器 (4)副邊繞組一端，副邊補(bǔ)償電容另一極接整流濾波電路（6) -橋臂中點(diǎn)，松耦合變壓器 (4)副邊繞組另一端接整流濾波電路（6)另一橋臂中點(diǎn)， 附加電感的電感值Lx與原邊補(bǔ)償電感的電感值L p相同，感應(yīng)式充電系統(tǒng)工作頻率ω :
LP、1^分別為松耦合變壓器原邊繞組、副邊繞組的電感值，C Ρ、(；分 別為原邊補(bǔ)償電容、副邊補(bǔ)償電容的電容值。
2. 恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，包括：依次連接的高頻逆變電路（1)、恒 流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)（2)、原邊補(bǔ)償電路（3)、松耦合變壓器（4)、副邊補(bǔ)償電路（5)、整流 濾波電路（6)，其中， 所述恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)（2)包括：第一開(kāi)關(guān)、第二開(kāi)關(guān)、第三開(kāi)關(guān)，所述原邊補(bǔ)償 電路包括：附加電感、原邊補(bǔ)償電容，副邊補(bǔ)償電路為副邊補(bǔ)償電容， 所述的高頻逆變電路（1)輸入端接有直流電壓源，第一開(kāi)關(guān)一端、第二開(kāi)關(guān)一端均與 高頻逆變電路（1)的一個(gè)橋臂中點(diǎn)連接，第一開(kāi)關(guān)另一端、第三開(kāi)關(guān)一端均與原邊補(bǔ)償電 容一極連接，第二開(kāi)關(guān)另一端與附加電感一端連接，原邊補(bǔ)償電容另一極、附加電感另一端 均與松耦合變壓器（4)原邊繞組一端連接，第三開(kāi)關(guān)另一端、松耦合變壓器（4)原邊繞組 另一端均與高頻逆變電路（1)的另一個(gè)橋臂中點(diǎn)連接，副邊補(bǔ)償電容并接在松耦合變壓器 (4)副邊繞組兩端之間，松耦合變壓器（4)副邊繞組一端接整流濾波電路（6) -橋臂中點(diǎn)， 松耦合變壓器（4)副邊繞組另一端接整流濾波電路（6)另一橋臂中點(diǎn)， 附加電感的電感值LX:LX= L p-M2/Ls，感應(yīng)式充電系統(tǒng)工作頻率ω :
,LP、1^分別為松耦合變壓器原邊繞組、副邊繞組的電感 值，CP、Cs分別為原邊補(bǔ)償電容、副邊補(bǔ)償電容的電容值，M為松耦合變壓器原副邊繞組的互 感值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)在 恒流工作模式下的輸入阻抗Zin為：
，系統(tǒng)在恒壓工作模式下的輸入阻抗Zin為：
R為負(fù)載等效電阻，M為松耦合變壓器原副邊繞組的互感值。無(wú)論在恒流 模式還是恒壓模式，其輸入阻抗均為純阻性，避免無(wú)功功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)在 恒壓工作模式下的輸入阻抗Zin為：
系統(tǒng)在恒流工作模式下的輸入阻抗Zin為：
，尺為負(fù)載等效電阻。無(wú)論在恒流模式還是恒壓模式，其輸入阻抗均為 純阻性，避免無(wú)功功率。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及基于恒流-恒壓復(fù)合拓?fù)涞母袘?yīng)式充電系統(tǒng)，滿(mǎn)足電池先恒流后恒壓的充電特性，適應(yīng)于電動(dòng)汽車(chē)和手機(jī)等無(wú)線充電場(chǎng)合。本發(fā)明提出的兩組復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：包括高頻逆變電路、恒流-恒壓模式切換網(wǎng)絡(luò)、原邊補(bǔ)償電容、附加電感、松耦合變壓器、副邊補(bǔ)償電容、整流濾波電路。在整個(gè)充電過(guò)程中，通過(guò)簡(jiǎn)單控制模式切換開(kāi)關(guān)，不需要改變工作頻率，可直接提供電池充電所需的恒流和恒壓，避免使用額外的后級(jí)變換器，且輸出特性與負(fù)載無(wú)關(guān)，輸入阻抗在整個(gè)恒流-恒壓充電過(guò)程中均為純阻性，因此該拓?fù)淇刹捎煤?jiǎn)單的定頻占空比控制，保證高頻逆變開(kāi)關(guān)的零電壓開(kāi)關(guān)，提高變換器效率，同時(shí)避免無(wú)功功率，減少器件應(yīng)力，進(jìn)一步提高效率。
【IPC分類(lèi)】H02J7-02, H02M3-335
【公開(kāi)號(hào)】CN104753152
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510169385
【發(fā)明人】曲小慧, 韓洪豆, 黃少聰, 謝智剛
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月1日
【申請(qǐng)日】2015年4月10日