[发明专利]一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置及方法

权利要求书

1.一种单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置，其特征在于，该装置的主体结构包括L₁C₁滤波电路、全桥型AC-AC谐振变换器、第一高阶谐振网络、发射线圈、接收线圈、第二高阶谐振网络、高频整流电路、滤波电容、原边控制电路、副边控制电路和蓄电池；220伏工频交流电经L₁C₁滤波电路以后进入全桥型AC-AC谐振变换器，产生高频交流电；高频交流电经过第一高阶谐振网络施加在发射线圈两端，并在接收线圈两端感应出电流，该电流经过第二高阶谐振网络、高频整流电路和滤波电容后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电；L₁C₁滤波电路由第一电感和第一电容连接组成低通滤波器，滤除高次谐波；全桥型AC-AC谐振变换器为四个开关管组成的全桥结构，中间连接第二电容，全桥结构的前桥臂连接两个二极管，用于改变电能的频率和幅值；第一高阶谐振网络由第三电感、第三电容、第四电容从左到右按T型结构连接，用于补偿发射线圈的无功环流，第一高阶谐振网络的前端与全桥型AC-AC谐振变换器的输出端相连，后端与发射线圈相连接；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到接收线圈；第二高阶谐振网络由第五电容、第六电容和第四电感左到右按T型结构连接，两端分别与接收线圈和高频整流电路相连接，用于补偿接收线圈的无功环流，第二高阶谐振网络上设有继电器模块，继电器模块包括继电器的驱动电路，用于控制第二高阶谐振网络中的开关；高频整流电路由四个二极管组成全桥整流电路，前端与第二高阶谐振网络的输出端相连，后端通过滤波电容与蓄电池相连，高频整流电路和滤波电容将交流电变为直流电并向蓄电池充电；原边控制电路包括第一单片机控制电路、第一驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路；第一驱动电路与分别与四个开关管的栅极相连，第一辅助电源、第一电压检测电路分别与交流电源相连，第二电压检测电路与全桥型AC-AC谐振变换器中的第二电容相连；第一单片机控制电路分别与第一驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路连接；第一辅助电源为第一无线通信电路、驱动电路、第一单片机控制电路供电；第一单片机控制电路根据第一电压检测电路和第二电压检测电路输出全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂两个开关管的驱动信号，根据第一电压检测电路与第一无线通讯电路输出全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂两个开关管的驱动信号，驱动信号进入第一驱动电路进行放大；第一电压检测电路用于检测交流电源的极性，第二电压检测电路用于检测第二电容的电压，并将信号送入第一单片机控制电路；副边控制电路包括采样电路、第二单片机控制电路、第二辅助电源及第二无线通信电路、第二驱动电路；采样电路与蓄电池正极相连，检测蓄电池的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路分别与采样电路、第二辅助电源和第二无线通信电路、第二驱动电路相连；第二辅助电源与第三电感相连，为采样电路、第二单片机控制电路和第二无线通信电路及第二驱动电路供电；第二单片机控制电路根据接收到的采样电路的电压电流信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号。

2.根据权利要求1所述单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置，其特征在于，所述第一高阶谐振网络和第二高阶谐振网络的结构能用以下四种替换：(1)第一高阶谐振网络由第三电感、第三电容、第四电容从左到右按T型结构连接，并增设继电器模块，第二高阶谐振网络由第五电容、第六电容组成反Г型结构，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间；(2)第一谐振网络仅由第三电容组成，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容和第三电感左到右按T型结构连接；(3)第一谐振网络仅由第三电容组成，并增设继电器模块，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容组成反Г型结构，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间；(4)第一谐振网络仅由第三电容组成，并增设继电器模块，第三电容串联接入全桥型AC-AC谐振变换器和发射线圈之间，第二高阶谐振网络由第四电容、第五电容和第三电感左到右按π型结构连接，第四电感设置在高频整流电路与滤波电容之间。

3.一种如权利要求2所述单级式高阶补偿恒流恒压无线充电装置的充电方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)启动交流电源为主电路供电，启动第一辅助电源分别为第一单片机控制电路、第一驱动电路、第一无线通信电路供电，启动第二辅助电源分别为采样电路、第二单片机控制电路、第二无线通信电路及第二驱动电路供电；

(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池进行充电，充电的第一阶段为恒流充电，先使采样电路工作，第二单片机控制电路对采集到的信号进行AD转化，当采集的蓄电池两端电压低于预先设定值时，经由第二单片机控制电路判断后在电流采样模式下工作，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信；当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂占空比使主电路工作在恒流输出模式下，并通过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂的占空比维持第二电容两端的电压；

(3)采集的蓄电池两端电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由采样电路采集到此时的蓄电池两端电压值，经第二单片机控制电路处理后，通过第二驱动电路向副边继电器模块发出信号，使继电器常闭开关关断，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信，当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整全桥型AC-AC谐振变换器中后桥臂占空比维持恒压模式，并通过通过调整全桥型AC-AC谐振变换器中前桥臂的占空比维持第二电容两端的电压；

(4)在恒压充电阶段，当检测到流经蓄电池的电流下降到小于预先设定的最小界限时，经由第二单片机控制电路、第二无线通信电路、第一无线通信电路以及第一单片机控制电路的处理后，使驱动电路停发PWM脉冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。