[发明专利]一种无线充电系统复合补偿拓扑结构和充电控制方法

权利要求书

1.一种无线充电控制方法，其特征在于，所述方法应用于无线充电系统中，所述无线充电系统包括：直流输入电压源U_in、Buck电路、全桥逆变器、复合补偿拓扑结构、全波整流器、Boost电路、锂电池；所述系统还包括一次侧的MCU和二次侧的MCU；所述一次侧还包括无线通信接收模块，所述二次侧还包括无线通信发送模块和电流/电压采样模块；

Buck电路的一个直流输入端连接直流输入电压源U_in的正极，Buck电路的另一个直流输入端连接直流输入电压源U_in的负极；

全桥逆变器的一个直流输入端连接Buck电路一个输出端的正极，全桥逆变器的另一个直流输入端连接Buck电路另一个输出端的负极；

复合补偿拓扑结构由SS型补偿拓扑结构和LCL-S型补偿拓扑结构通过开关K₁和开关K₂连接组合而成；所述开关K₁闭合、开关K₂断开，所述系统采用SS型补偿拓扑结构，为恒流充电模式；所述开关K₁断开、开关K₂闭合，所述系统采用LCL-S型补偿拓扑结构，为恒压充电模式；

其中SS型补偿结构包括一次侧串联谐振电容C₁、一次侧发射线圈电感L₁、二次侧串联谐振电容C₂、二次侧接收线圈电感L₂；

LCL-S型补偿结构包括SS型补偿结构、一次侧补偿电感L_t1、一次侧补偿电感L_t2、一次侧补偿电容C_t；

一次侧补偿电感L_t1的一端连接全桥逆变器输出的一端，一次侧补偿电感L_t1的另一端连接一次侧补偿电容C_t的一端和一次侧补偿电感L_t2的一端，一次侧补偿电感L_t2的另一端连接一次侧发射线圈电感L₁的一端，一次侧发射线圈电感L₁的另一端通过一次侧串联谐振电容C₁连接一次侧补偿电容C_t的另一端和全桥逆变器输出的另一端；

二次侧串联谐振电容C₂一端连接二次侧接收线圈电感L₂的一端，二次侧串联谐振电容C₂另一端连接全波整流器的一个交流输入端，二次侧接收线圈电感L₂的另一端连接全波整流器的另一个交流输入端；

全波整流器的一个直流输出端的正极连接Boost电路一个直流输入端的正极，全波整流器的一个直流输出端的负极连接Boost电路一个直流输入端的负极；Boost电路的一个直流输出端的正极连接锂电池的正极，Boost电路的另一个直流输出的负极连接锂电池的负极；

所述复合补偿拓扑结构由SS型补偿拓扑结构和LCL-S型补偿拓扑结构通过开关K₁和开关K₂连接组合而成，包括：

开关K₁由反向串联的NMOS管Q₆、NMOS管Q₇构成，开关K₂由反向串联的NMOS管Q₈、NMOS管Q₉构成；每个开关中两个NMOS管都导通时，该开关呈闭合状态；当两个NMOS管都关断时，该开关呈断开状态；

开关K₁的一端连接全桥逆变输出和一次侧补偿电感L_t1的公共端，开关K₁的另一端连接一次侧补偿电感L_t2和一次侧发射线圈电感L₁的公共端；

开关K₂的一端连接一次侧补偿电感L_t1和一次侧补偿电感L_t2的公共端，开关K₂的另一端连接一次侧补偿电容C_t的一端；

所述系统中，一次侧的MCU与一次侧Buck电路的控制输入口连接，用来控制Buck电路的输出电压；一次侧的MCU与一次侧全桥逆变器的控制输入口连接，生成四路驱动信号驱动全桥逆变器；一次侧的MCU与NMOS管Q₆、NMOS管Q₇、NMOS管Q₈、NMOS管Q₉连接，用来控制开关K₁、开关K₂的通断；一次侧的MCU还与无线通信接收模块连接，用于接收二次侧的数据；

二次侧的MCU与电流/电压采样模块连接，用来采样锂电池的电流值I_b和电压值U_b；二次侧的MCU与二次侧Boost电路的控制输入口连接，用来实现阻抗匹配；二次侧的MCU还与无线通信发送模块连接，用于向一次侧发送数据；

所述方法通过控制开关K₁和开关K₂的闭合断开实现对于无线充电系统的充电控制，在恒流充电阶段闭合开关K₁、断开开关K₂，采用SS型补偿拓扑结构进行充电；当充电电压上升到电压参考值时，断开开关K₁、闭合开关K₂，采用LCL型补偿拓扑结构进行恒压充电；

所述方法包括：

(1)一次侧和二次侧的MCU初始化，启动无线充电系统；

(2)一次侧的MCU控制开关K₁闭合、开关K₂断开，使复合补偿拓扑结构切换到SS型补偿拓扑结构，无线充电系统处于恒流充电状态；

(3)根据给定的锂电池的充电电流参考值I_b-ref和Boost电路占空比α，调节Buck电路占空比D；

(4)二次侧的MCU通过检测锂电池的电流值I_b和电压值U_b来求得锂电池的等效负载R_b，计算出阻抗匹配对应的Boost电路最优占空比α_opt，并通过无线通信发送模块将α_opt值发送到一次侧的MCU，计算出满足锂电池恒流充电要求对应的Buck电路最优占空比D_opt；

(5)二次侧的MCU检测锂电池的电压值U_b是否达到给定的锂电池的充电电压参考值U_b-ref，并以无线通信的方式向一次侧的MCU发送开关控制信号；

(6)若U_b值小于U_b-ref值，执行步骤(4)；若U_b值大于等于U_b-ref值，一次侧的MCU控制开关K₁断开、开关K₂闭合，使复合补偿拓扑结构切换到LCL-S型补偿拓扑结构，此时锂电池处于恒压充电状态；

(7)二次侧的MCU通过检测锂电池的电流值I_b和电压值U_b来求得锂电池的等效负载R_b，计算出阻抗匹配对应的Boost电路最优占空比α_opt，并通过无线通信发送模块将α_opt值发送到一次侧的MCU，计算出满足锂电池恒压充电要求对应的Buck电路最优占空比D_opt；

所述方法中锂电池充电电流参考值I_b-ref根据下述公式计算得到：

其中，I_b为检测到的锂电池的电流值，U_in为直流输入电压源的电压值，ω＝2πf，f为谐振频率，M为一次侧发射线圈和二次侧线圈间的互感值，α为Boost电路占空比，D为Buck电路占空比，R₁、R₂分别为一次侧发射线圈和二次侧接收线圈的等效电阻，R_e为全桥整流器的输入阻抗；

所述方法中锂电池充电电压参考值U_b-ref根据下述公式计算得到：

其中，U_b为检测到的锂电池的电压值，L_t表示与一次侧补偿电感L_t1和一次侧补偿电感L_t2相同的电感，即用电感L_t代替表示一次侧补偿电感L_t1或一次侧补偿电感L_t2。