[发明专利]恒流‑恒压复合拓扑的感应式充电系统

说明书

技术领域

本发明涉及恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，适用于电动汽车和手机等电池无线充电场合。

背景技术

感应式无线电能传输技术以交变的电磁场为媒介，将能量传输到负载。由于无直接的电气接触，因而能够避免电火花，不受环境的影响，可以在恶劣的环境下工作。目前，感应式无线电能传输技术在消费电子、照明、电动汽车等领域获得到了广泛的应用。其中，给电池无线充电是一项十分重要的应用。

电池充电有4个充电阶段，其中恒流阶段和恒压阶段是其主要阶段，因此，电池的无线充电装置需能够提供恒流-恒压特性的输出。松耦合变压器是感应式无线电能传输的核心器件，由于较大气隙的存在，漏感较大，因此需要电容来进行无功补偿。通常有4种基本的补偿方式：串串(SS)、串并(SP)、并串(PS)、并并(PP)。补偿后的系统输出特性较为复杂，与变压器的参数、补偿网络、频率和负载均有关。为了能够输出所需要的电压和电流，通常有两种控制方式：定频占空比控制和变频控制。定频占空比控制能够有效补偿无功，输出通过改变占空比来调节。但是，电池在充电过程中，等效电阻变化较大，较大的占空比变化难以保证开关器件的软开关(Zero-voltage Switching,ZVS)。变频控制通过改变频率来调节输出，但是无功功率无法被全部补偿，此外，变频控制也会造成系统不稳定。

单个控制及单个拓扑结构无法满足设计要求，因此可采用多级控制或多个拓扑组合的方式来满足设计要求。例如，可采用变换器级联和两级控制方式，通过变频控制来实现输入电压和电流零相位差(Zero-phase Angle,ZPA)，输出的电压和电流则通过后级变换器和控制来调节。但是，该方式会降低系统的效率，成本较高，结构和控制系统复杂。采用多个拓扑组合的方式，例如通过SS和SP补偿结构的组合来实现恒流-恒压输出，同时满足ZPA。但SS实现恒流特性的原边电容和SP实现恒压的原边电容不同，因此在拓扑结构切换时，原边需要在不同电容值之间切换，副边需要在串联和并联结构之间进行切换，切换的开关数目较多，结构相对复杂。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提出两组恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统：SS/PS和SP/PP复合拓扑结构，以解决单个控制及单个拓扑无法满足设计要求，变换器级联和多级控制方式效率低且成本高，多个拓扑组合的方式切换开关多结构复杂的技术问题。

技术方案：

SS/PS结构的恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统，包括：依次连接的高频逆变电路、恒流-恒压模式切换网络、原边补偿电路、松耦合变压器、副边补偿电路、整流滤波电路，其中，

所述恒流-恒压模式切换网络包括：第一开关、第二开关、第三开关，所述原边补偿电路包括：附加电感、原边补偿电容，副边补偿电路为副边补偿电容，

所述高频逆变电路输入端接有直流电压源，第一开关一端、第二开关一端均与高频逆变电路的一个桥臂中点连接，第一开关另一端、第三开关一端均与原边补偿电容一极连接，第二开关另一端与附加电感一端连接，原边补偿电容另一极、附加电感另一端均与松耦合变压器原边绕组一端连接，第三开关另一端、松耦合变压器原边绕组另一端均与高频逆变电路的另一个桥臂中点连接，副边补偿电容一极接松耦合变压器副边绕组一端，副边补偿电容另一极接整流滤波电路一桥臂中点，松耦合变压器副边绕组另一端接整流滤波电路另一桥臂中点。

原边补偿电容C_P与松耦合变压器的原边电感L_P谐振，副边补偿电容C_S与副边电感L_S谐振，附加电感的电感值L_X与原边电感的电感值L_P相同，系统工作频率ω：L_P、L_S分别为松耦合变压器原边绕组、副边绕组的电感值，C_P、C_S分别为原边补偿电容、副边补偿电容的电容值；

闭合第一开关，断开第二、第三开关，感应式充电系统进入恒流工作模式，电路拓扑为SS补偿，输出与电池负载无关的恒定电流I_BAT：I_Opeak为输出电流峰值，V_IN为输入的直流电压，D为占空比，M为松耦合变压器原副边绕组的互感值，输入阻抗Z_IN为：R为负载等效电阻，