一種恒流?恒壓無線充電系統(tǒng)及其充電方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種恒流?恒壓無線充電系統(tǒng)及其充電方法，該系統(tǒng)包括：逆變電源、初級側(cè)電路、次級側(cè)開關(guān)電路、整流穩(wěn)壓電路；高頻逆變電源用于為系統(tǒng)提供能量，并輸出符合系統(tǒng)要求的頻率與電壓；初級側(cè)電路在發(fā)射線圈處產(chǎn)生與次級側(cè)電路參數(shù)無關(guān)的高頻電流；次級側(cè)開關(guān)電路接收無線電能后，通過開關(guān)控制切換次級側(cè)電路拓?fù)?，完成恒流充電至恒壓充電的切換；整流穩(wěn)壓電路用于將次級側(cè)開關(guān)電路得到的交流電流、電壓整流成為電池充電的直流電流、電壓。本發(fā)明將恒流/恒壓模式的切換控制，放在無線充電系統(tǒng)的接收側(cè)進(jìn)行，避免了能量發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的數(shù)據(jù)通訊與信息交換，并在模式切換以及正常工作過程中保證了無線充電系統(tǒng)的零無功。
【專利說明】
-種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電池的無線充電領(lǐng)域，尤其是一種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)及其充電 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電能傳輸技術(shù)具有傳統(tǒng)有線傳輸方式所沒有的諸多優(yōu)點(diǎn)，利用無線的方式實(shí) 現(xiàn)對手機(jī)等小型便攜式設(shè)備充電，則可W極大地提高使用的靈活性和舒適性，而再也不用 攜帶冗余的電源線。
[0003] 往往，電能的傳輸與存儲是同等重要，因此依賴無線電能傳輸技術(shù)解決能量的傳 輸問題的同時(shí)，也需要很好的解決能量的高效存儲。目前我們周邊常見的儲能設(shè)備為電池， 尤其是W裡電池為主，而對于裡電池來說，恒流(CC)、恒壓(CV)充電是最常見的充電方式， 它將裡電池的整個(gè)充電過程分為恒流充電和恒壓充電兩個(gè)個(gè)階段。而對于一般的無線電能 充電系統(tǒng)而言，若要實(shí)現(xiàn)CC至CV的充電切換，需要在無線系統(tǒng)的次級側(cè)增加直流變換電路， 運(yùn)就增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本與難度。但是，現(xiàn)如今的研究表明，經(jīng)過合理的電路設(shè)計(jì)，無線 電能傳輸系統(tǒng)本身是可W實(shí)現(xiàn)恒流或者恒壓輸出的。如果采用無線電能傳輸系統(tǒng)本身的性 質(zhì)來實(shí)現(xiàn)CC和CV充電，那么不僅會減少系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，也會縮減成本。除此W外，若沒有 準(zhǔn)確的理論推導(dǎo)，使用理論參數(shù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，定會偏離電池充電要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，提供一種能夠僅通過開關(guān)控制而不改變電路其 他參數(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)恒流至恒壓充電切換的電路，本發(fā)明提出一種恒流-恒壓無線充電系 統(tǒng)及其充電方法。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：
[0006] -種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)，包括:逆變電源、初級側(cè)電路、次級側(cè)開關(guān)電路、整 流穩(wěn)壓電路；
[0007] 初級側(cè)電路為由補(bǔ)償電感Lx、補(bǔ)償電容Cp和發(fā)射線圈組成的LCL諧振電路;發(fā)射線 圈的電感為Lp，內(nèi)阻為R;
[000引次級側(cè)開關(guān)電路包括接收線圈、補(bǔ)償電容Csl、Cs2、補(bǔ)償電感Ly和開關(guān)Sl、S2、S3;接收 線圈的電感為Ls，內(nèi)阻為R;接收線圈、Csi和Ly依次串聯(lián)，該串聯(lián)電路的兩端作為次級側(cè)開關(guān) 電路的輸出端并與整流穩(wěn)壓電路的輸入端相連，整流穩(wěn)壓電路的輸出端做為恒流-恒壓無 線充電系統(tǒng)的輸出端;Si、S3分別與Csi和Ly并聯(lián);& 一端與Cs2相連，另一端與Ly和Csi的連接點(diǎn) 相連，Cs2的另一端與次級側(cè)開關(guān)電路的輸出端相連；
[0009] 逆變電源通過初級側(cè)電路形成與次級側(cè)開關(guān)電路參數(shù)無關(guān)的電流并通過發(fā)射電 感Lp禪合至次級側(cè)開關(guān)電路的接收電感Ls;逆變電源的輸出頻率與輸出電壓在充電過程中 保持不變；
[0010] 戶片述 Lx = Lp，Ls = Ly，Cs1 = Cs2。
[0011] 本發(fā)明還提出一種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的充電方法，包括步驟：
[0012] (1)構(gòu)建上述恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)；
[0013] (2)對步驟（1)中構(gòu)建的恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置:根據(jù)待充電的電 池的標(biāo)稱電壓化3*,。預(yù)設(shè)恒流充電電流163*，根據(jù)使用的發(fā)射、接收線圈種類確定14>心、尺^ 及發(fā)射、接收線圈之間的互感Μ ;根據(jù)Ubat, η、Ibat、Lp、Ls、R和Μ確定逆變電源的輸出電壓Uin、諧 振角頻率ωΚ及恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)中的剩余參數(shù):Cp、Csi、Cs2;
[0014] (3)檢測待充電的電池的實(shí)際電壓化at,判斷是否滿足化η;若判斷結(jié)果為滿 足，則閉合開關(guān)Sl、S2,斷開S3,對待充電電池進(jìn)行恒流充電直至化η;若判斷結(jié)果為不 滿足化3*<化3川，則放棄充電；
[001引（4)當(dāng)待充電電池的實(shí)際電壓在恒流充電下滿足Ubat>Ubat,n時(shí)，斷開開關(guān)Sl、S2,并 閉合S3,對待充電電池進(jìn)行恒壓充電直至恒壓充電電流值小于等于預(yù)設(shè)的闊值Imin。
[0016]進(jìn)一步的，所述步驟(2)中參數(shù)設(shè)置的方法為：
[0017] (3-1)設(shè)〔。=。，〔31 =〔32 =〔2山=14> = 1^1心=1^丫 = 1^2;根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算逆變電源 的輸出電壓化η和諧振角頻率ω :
[0021 ]式中，化為整流穩(wěn)壓電路中二極管引起的壓降；
[0022] (3-2)根據(jù)諧振角頻率ω計(jì)算Ci、C2的值為：
[0023]
[0024] 有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下優(yōu)勢：
[0025] (1)對電池參數(shù)的檢測與恒壓與恒流模式的切換控制，放在無線充電系統(tǒng)的接收 偵U(電池側(cè))進(jìn)行，避免或減小了能量發(fā)射側(cè)與接收側(cè)的數(shù)據(jù)通訊與信息交換；
[0026] (2)拓?fù)涞淖儞Q與切換簡單，增加了系統(tǒng)切換動作的可靠性；
[0027] (3)模式切換W及正常工作過程中保證了無線充電系統(tǒng)的零無功，減小了電源的 設(shè)計(jì)難度和提高電源的利用率；
[0028] (4)恒流充電和恒壓充電的切換前后，保持發(fā)射端和系統(tǒng)的參數(shù)不變，提高了可靠 性。
[0029] (5)本發(fā)明所提供的參數(shù)設(shè)計(jì)方法可W提升系統(tǒng)實(shí)際輸出較理論輸出的準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明所述恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的電路原理圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明所述恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的充電流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0033] 本發(fā)明提出一種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)，包括:高頻逆變電源、初級側(cè)電路、次級 側(cè)開關(guān)電路、整流穩(wěn)壓電路、電池;其中，電池為恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的充電對象;高頻 逆變電源用于為恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)提供能量，并輸出符合系統(tǒng)要求的頻率與電壓;初 級側(cè)電路用于在發(fā)射線圈處產(chǎn)生高頻電流，并且該高頻電流的電流值與次級側(cè)電路參數(shù)無 關(guān)；
[0034] 次級側(cè)開關(guān)電路接收無線電能后，通過開關(guān)控制切換次級側(cè)電路拓?fù)?，完成恒?充電至恒壓充電的切換；
[0035] 所述整流穩(wěn)壓電路用于將次級側(cè)開關(guān)電路得到的交流電流、電壓整流成為電池充 電的直流電流、電壓。
[0036] 圖1所示為本發(fā)明所述恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的電路原理圖，圖中，初級側(cè)電路 為由補(bǔ)償電感Lx、補(bǔ)償電容Cp和發(fā)射線圈組成的LCL諧振電路;發(fā)射線圈的電感為Lp，內(nèi)阻為 R;
[0037] 次級側(cè)開關(guān)電路包括接收線圈、補(bǔ)償電容Csl、Cs2、補(bǔ)償電感Ly和開關(guān)Sl、S2、S3;接收 線圈的電感為Ls，內(nèi)阻為R;接收線圈、Csi和Ly依次串聯(lián)，該串聯(lián)電路的兩端作為次級側(cè)開關(guān) 電路的輸出端并與整流穩(wěn)壓電路的輸入端相連，整流穩(wěn)壓電路的輸出端做為恒流-恒壓無 線充電系統(tǒng)的輸出端;51、53分別與〔31和1^￥并聯(lián)誠一端與〔3細(xì)連，另一端與1^￥和〔31的連接點(diǎn) 相連，Cs2的另一端與次級側(cè)開關(guān)電路的輸出端相連；
[0038] 逆變電源通過初級側(cè)電路形成與次級側(cè)開關(guān)電路參數(shù)無關(guān)的電流并通過發(fā)射電 感Lp禪合至次級側(cè)開關(guān)電路的接收電感Ls;逆變電源的輸出頻率與輸出電壓在充電過程中 保持不變；
[0039] 整流穩(wěn)壓電路為由4個(gè)二極管組成的單向全波橋式整流電路；
[0040] 所述 Lx = Lp，Ls = Ly，Cs1 = Cs2。
[0041] 所述恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)工作在角頻率ω下，系統(tǒng)電能由逆變電源提供，所述 逆變電源在系統(tǒng)拓?fù)淝袚Q前后保持相同的角頻率ω和電壓化η輸出，在初級側(cè)電路中，電能 先經(jīng)過圖1所示的Lp，Cp和Lx所組成的LCL拓?fù)?，在發(fā)射線圈中產(chǎn)生與次級側(cè)拓?fù)鋮?shù)無關(guān)的 電流。其中，Lx = Lp = ^，Cp = Ci。發(fā)射線圈與接收線圈之間的互感為M，能量經(jīng)過發(fā)射線圈傳 輸至接收線圈后，經(jīng)次級側(cè)開關(guān)電路處理。次級側(cè)開關(guān)電路由〔31心2心心心心、53組成， 其中Ls = Ly = L2，Cs1 = Cs2 = C2,并由開關(guān)S1，S2，S3控制拓?fù)?。圖2為充電模式切換流程圖，當(dāng) 充電對象電池欠壓時(shí)，即電池端電壓化at小于電池的標(biāo)稱電壓化at, η，此時(shí)次級側(cè)開關(guān)電路中 S1，S2閉合，S3斷開，次級側(cè)開關(guān)電路此時(shí)為1XL電路，它與初級側(cè)電路構(gòu)成L化-1XL型電路， 用于實(shí)現(xiàn)電池的恒流充電。計(jì)算得Imn=MUin/( ω bC2RRL+ ω bL2)，其中化是整流穩(wěn)壓電路和 電池的等效電阻。Ιμ^圣整流穩(wěn)壓電路后，形成了為電池充電的直流電。
[0042] 假設(shè)，電池的標(biāo)稱電壓為化at, η，電池的欠壓時(shí)的電壓為化at，那么正常情況下，兩者 之間Λ U =化at,n-Ubat的變化不會太大，此時(shí)可認(rèn)為恒流充電模式下，充電電流與電池的狀態(tài) 無關(guān)，可W實(shí)現(xiàn)對電池的恒流充電。
[00創(chuàng)在恒流充電過程中，電池端電壓不斷上升，當(dāng)電池端電壓Ubat>Ubat,n時(shí)，開關(guān)S1，S2 斷開，S3閉合，此時(shí)次級側(cè)拓?fù)錇镾型（串聯(lián)諧振)拓?fù)洌c初級側(cè)電路形成La-S型電路， 實(shí)現(xiàn)為電池進(jìn)行恒壓充電。在恒流充電模式轉(zhuǎn)至恒壓充電過程中，除開關(guān)動作外，系統(tǒng)其余 參數(shù)均不變。在電池的恒壓充電過程中，電池端電壓化at與逆變電源輸出電壓化η的關(guān)系為：
實(shí)現(xiàn)了對電池的恒壓充電，其中化為整流橋開關(guān)管壓降。在電 池的恒壓充電過程中，充電電流逐漸減小，本實(shí)施例預(yù)設(shè)一個(gè)最低電流闊值為Imin，當(dāng)恒壓 充電電流值小于等于闊值Imin時(shí)停止充電。
[0044] 上述實(shí)現(xiàn)恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
[0045] 步驟1，根據(jù)充電對象的特點(diǎn)，得到電池的標(biāo)稱電壓化at,n，并且設(shè)計(jì)電池的充電電 流 Ibat;
[0046] 步驟2,依據(jù)無線充電系統(tǒng)的具體應(yīng)用場合，測量得到發(fā)射線圈的電感，即Lp = ^， 令初級側(cè)補(bǔ)償電感Lx = ^。同樣的，測出次級側(cè)接收線圈電感，Ls = L2，并且令次級側(cè)補(bǔ)償電 感Ly = L2。此時(shí)，發(fā)射線圈與接收線圈間的互感Μ已知，且測得發(fā)射與接收線圈的近似內(nèi)阻R， 令補(bǔ)償電容滿足Cp = Cl，Csl = Cs2 = C2 ;
[0047] 步驟3,根據(jù)已知參數(shù)化3*,。，163*山心，1計(jì)算系統(tǒng)的輸入電壓化。。已知整流穩(wěn)壓電 路中，每個(gè)二極管存在壓降化，根據(jù)整流前電壓Umn與化at關(guān)勇
，計(jì) 算系統(tǒng)輸入電￡
[004引步驟4,在恒流充電模式下，整流橋輸入端的電流Imn與系統(tǒng)輸出電流Ibat滿足
3 了保證充電模式變換前后電源化η與諧振角頻率ω不變，系統(tǒng)的諧振角 頻率為：
[0049]
[(Κ)加]其中 Req,bat =化 atVibat。
[0化1] 步驟5,因補(bǔ)償電容滿盾
因此可W根據(jù)ω得出補(bǔ)償電容的大 小。
[0052] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和潤飾，運(yùn)些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)，其特征在于，包括:逆變電源、初級側(cè)電路、次級側(cè)開 關(guān)電路、整流穩(wěn)壓電路； 初級側(cè)電路為由補(bǔ)償電感Lx、補(bǔ)償電容心和發(fā)射線圈組成的LCL諧振電路;發(fā)射線圈的 電感為LP，內(nèi)阻為R; 次級側(cè)開關(guān)電路包括接收線圈、補(bǔ)償電容Csl、Cs2、補(bǔ)償電感LY和開關(guān)5 1、52、53;接收線圈 的電感為Ls，內(nèi)阻為R;接收線圈、Csi和Ly依次串聯(lián)，該串聯(lián)電路的兩端作為次側(cè)極開關(guān)電路 的輸出端并與整流穩(wěn)壓電路的輸入端相連，整流穩(wěn)壓電路的輸出端做為恒流-恒壓無線充 電系統(tǒng)的輸出端；31、53分別與(^1和1^并聯(lián);52-端與(^2相連，另一端與1^和(^1的連接點(diǎn)相 連，C s2的另一端與次級側(cè)開關(guān)電路的輸出端相連； 逆變電源通過初級側(cè)電路形成與次級側(cè)開關(guān)電路參數(shù)無關(guān)的電流并通過發(fā)射電感。耦 合至次級側(cè)開關(guān)電路的接收電感Ls;逆變電源的輸出頻率與輸出電壓在充電過程中保持不 變； 0Ti^Lx 一 Lp，Ls - Ly，Csi - Cs2 〇2. -種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的充電方法，其特征在于包括步驟： (1) 構(gòu)建如權(quán)利要求1所述的恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)； (2) 對步驟（1)中構(gòu)建的恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置:根據(jù)待充電的電池的 標(biāo)稱電壓Ubat, n預(yù)設(shè)恒流充電電流Ibat，根據(jù)使用的發(fā)射、接收線圈種類確定LP、LS、R以及發(fā) 射、接收線圈之間的互感M;根據(jù)1^,"、1^、1 4)、1^、財(cái)圓確定逆變電源的輸出電壓1^、諧振角 頻率ω以及恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)中的剩余參數(shù):CP、C sl、Cs2; (3) 檢測待充電的電池的實(shí)際電壓Ubat，判斷是否滿足Ubat<Ubat, n;若判斷結(jié)果為滿足， 則閉合開關(guān)Si、S2，斷開&，對待充電電池進(jìn)行恒流充電直至U bat^Ubat,n;若判斷結(jié)果為不滿 足Ubat<U bat,n，則放棄充電； (4) 當(dāng)待充電電池的實(shí)際電壓在恒流充電下滿足Ubat>Ubat,Jt，斷開開關(guān)SL&，并閉合 &，對待充電電池進(jìn)行恒壓充電直至恒壓充電電流值小于等于預(yù)設(shè)的閾值I min。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種恒流-恒壓無線充電系統(tǒng)的充電方法，其特征在于，所述 步驟(2)中參數(shù)設(shè)置的方法為： (3_1)設(shè)Cp= Ci，Csi= Cs2= C2，Lx = Lp= Li，Ls= Ly = L2;根據(jù)已知參數(shù)計(jì)算逆變電源的輸 出電壓Uin和諧振角頻率ω :Req, bat - Ubat, n/lbat ( 3 ) 式中，UE為整流穩(wěn)壓電路中二極管引起的壓降； (3-2)根據(jù)諧振角頻率ω計(jì)算d、C2的值為：
【文檔編號】H02J7/02GK106059110SQ201610603373
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610603373.7, CN 106059110 A, CN 106059110A, CN 201610603373, CN-A-106059110, CN106059110 A, CN106059110A, CN201610603373, CN201610603373.7
【發(fā)明人】譚林林, 潘書磊, 顏長鑫, 黃學(xué)良
【申請人】東南大學(xué)