[发明专利]一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统

说明书

本发明公开了一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，提供电池充电过程中所需的先恒流后恒压输出，涉及电池无线充电技术，适用于电动汽车和医疗器械等电池无线充电场合。该系统包括高频全桥逆变电路、原边补偿网络、松耦合变压器、副边补偿网路、恒流‑恒压切换网络、全桥整流滤波电路，在特定频率下实现了与负载无关的恒流输出或恒压输出，通过放置在副边的恒流‑恒压切换网络实现两种模式转换，避免无线充电系统发射端与接收端之间的复杂通信，简化控制，提高可靠性，实现了电路近似零无功环流和开关器件的软开关，提高效率，减少器件应力，输出恒流与恒压值不受制于松耦合变压器参数，提高了能量传输线圈设计自由度，提高网络传输效率。

技术领域

本发明公开了一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，涉及电池无线充电技术，适用于电动汽车和医疗器械等电池无线充电场合。

背景技术

无线充电技术因供电端和受电端之间没有电气和机械连接而使用方便且安全可靠，因此，具有极大的应用前景。电池充电通常包括恒流充电和恒压充电两个阶段，因此，无线充电系统需向电池提供其所需的恒流和恒压输出。

无线充电系统中采用的松耦合变压器耦合系数低、漏感值大，在电路中不可避免地产生无功环流，增加了器件应力和损耗，因此，需要补偿其无功能量，一般采用电容来补偿变压器漏感产生的无功能量。在整个电池充电过程中，电池的等效负载在一个很大的范围内变化，在宽的负载范围内实现所需的恒流或恒压输出并且保证零无功能量或零输入相位角(Zero Phase Angle,ZPA)所采用的控制手段通常只能实现一个控制目标。因此，很多研究采用补偿电路本身的特性来兼顾两个以上的控制目标，例如，在特定工作频率下，串串(SS)和并并(PP)同时实现输出与负载无关的恒流和输入ZPA，而串并(SP)和并串(PS)可以同时实现输出与负载无关的恒压和输入ZPA，因此，充电系统可工作在定频状态，简化控制。

目前，已提出通过复合上述四种基本拓扑结构的方式实现先恒流后恒压的输出和输入ZPA。例如，将SS/PS或PP/SP两种基本拓扑通过切换开关进行复合，通过对切换开关的控制可以实现先恒流后恒压的输出和无功全补偿，且上述两种复合结构在不同的工作模式下具有相同的补偿参数和谐振频率，可以减少补偿器件和切换开关，但是，其模式切换开关在原边侧，因此，模式开关的控制需通过发射端与接收端之间的通信系统进行信号传输，控制相对复杂，可靠性低。基于原边复合结构的缺点，已有研究将模式切换开关放在副边侧，如SS/SP或PP/PS两种复合结构，由于补偿频率和参数并不完全相同，需增加额外补偿器件才能同时实现恒流或恒压输出与无功全补偿。以上复合结构均基于四种基本的补偿结构，线圈设计需要考虑负载情况，线圈设计受到限制，参数设计自由度降低。

基于上述复合拓扑结构存在的问题，已有研究提出在双边LCC的基础上，通过改变充电系统的工作频率来实现先恒流后恒压的输出和无功全补偿，但已有相关标准规范了充电系统的工作频率，若工作频率超出给定频率范围，该方法无法实现，且仍需要原副边通信来实现原边侧频率的改变，降低了系统的可靠性。

由以上分析可知，目前可同时实现副边模式切换、近似零无功能量和恒流-恒压输出的复合结构，仍然存在输出恒流或恒压的松耦合变压器参数受到负载情况限制的问题，通过改变系统工作频率实现先恒流后恒压的输出和无功全补偿的方法也存在系统工作频率受限和可靠性降低的问题。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种高阶复合式补偿网络的电池无线充电系统，通过副边模式转换开关可在恒定频率实现负载所需的先恒流后恒压输出和无功功率近似为零以及开关器件的软开关，并且提高了补偿网络中线圈设计自由度及系统可靠性，解决了现有复合补偿结构实现恒流或恒压的线圈参数设计受到负载情况限制以及系统工作频率受限的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：