[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

说明书

本发明公开了一种无线充电系统复合补偿拓扑结构和充电控制方法，属于无线电能传输技术领域。该无线充电系统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K₁和开关K₂连接组合而成，无线充电系统的一次侧和二次侧的MCU通过控制开关K₁和开关K₂的闭合断开实现充电方式的选择，在系统上电时逐步增大全桥逆变器驱动信号的占空比，使逆变电压从零逐步增大，防止上电冲击电流过大。本申请能够将充电方式选择和系统电能传输效率优化分开进行控制，从而实现系统电能传输效率的优化。

技术领域

本发明涉及一种无线充电系统复合补偿拓扑结构和充电控制方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

无线充电技术是一种无需电线作为电能传输介质的技术，相对于传统有线传输技术，无线充电技术以其安全、便捷等特点广泛应用于多种场合。随着无线充电技术应用范围越来越广，不同的应用场合对其输出功率和传输效率的要求也越来越高，而无线充电系统中的补偿拓扑结构对整个系统的输出功率和传输效率具有不可忽视的影响。

通常，无线充电系统中补偿拓扑结构至少要满足3个要求：1)能实现锂电池先恒流再恒压充电的充电要求；2)二次侧补偿拓扑结构的补偿器件要少，以减小二次侧补偿拓扑的整体结构；3)输入电流电压零相角。

在补偿拓扑结构方面，常见的补偿拓扑结构有SS型、SP型、PS型、PP型补偿拓扑结构。其中，SS型补偿拓扑结构具有恒流输出特性、SP型补偿拓扑结构具有恒压输出特性、PS型补偿拓扑结构的输出电压受一次侧发射线圈电流和谐振频率的影响、P-P型补偿拓扑结构的输出电流受一次侧发射线圈电流的影响，上述四种补偿拓扑结构都不能同时满足锂电池先恒流再恒压充电的充电要求。此外，LCL-S型补偿拓扑结构具有恒压输出特性。双边LCC型和双边LCL型补偿拓扑结构具有输出电流恒流特性，但是这两种补偿结构中二次侧补偿拓扑结构的补偿器件过多，增大了二次侧补偿拓扑的整体结构，也无法满足锂电池先恒流再恒压充电的充电要求。

无线充电系统对充电控制至少有4个要求：1)系统以“软启动”的方式运行工作，防止上电时电流冲击过大；2)满足锂电池的充电要求，提高系统电能的传输效率；3)优化控制方法，提高系统的可靠性；4)系统在工作过程中，电路受保护。

在充电控制方面，系统控制过于复杂往往会降低系统的可靠性，并且需要耗费一定的硬件成本。PP和PS型补偿拓扑结构不适合用于无线电能传输。SS型、SP型、LCL-S型、双边LCL型补偿拓扑结构都只能实现单一的充电方式(恒流充电或恒压充电)，如果要实现两者充电方式，则需要通过二次侧闭环控制。而若要进一步提高系统电能的传输效率，则需要改变二次侧Boost电路的占空比实现阻抗匹配来提升系统电能的传输效率，但是二次侧Boost电路占空比的变化又会使系统输出的电流/电压值改变，导致无法满足锂电池先恒流再恒压充电的充电要求，若能够调节一次侧Buck电路的输出电压，则可以平衡系统输出的电流/电压值，使其保持稳定。

那么如果要通过调节一次侧Buck电路的输出电压平衡系统输出的电流/电压值，使其保持稳定的话，又要调节二次侧Boost电路的占空比进行阻抗匹配提升系统的电能传输效率，那么一次侧的系统与二次侧的系统之间需要进行联合控制：

当采用上述单一拓扑结构作为无线充电系统的补偿电路时，如果一次侧的系统与二次侧的系统不采用无线通信的方式进行联合控制，那么一次侧的系统可以加入额外的采样电路来推算出二次侧的系统的一些参数，进而计算出一次侧Buck电路的占空比，调节一次侧Buck电路的输出电压。这种通过加入额外的采样电路的控制方式对硬件的要求非常高，采样精度的高低决定了系统的输出效果。