一种恒流-恒压无线充电系统及其充电方法

摘要

本发明提出一种恒流‑恒压无线充电系统及其充电方法，该系统包括：逆变电源、初级侧电路、次级侧开关电路、整流稳压电路；高频逆变电源用于为系统提供能量，并输出符合系统要求的频率与电压；初级侧电路在发射线圈处产生与次级侧电路参数无关的高频电流；次级侧开关电路接收无线电能后，通过开关控制切换次级侧电路拓扑，完成恒流充电至恒压充电的切换；整流稳压电路用于将次级侧开关电路得到的交流电流、电压整流成为电池充电的直流电流、电压。本发明将恒流/恒压模式的切换控制，放在无线充电系统的接收侧进行，避免了能量发射侧与接收侧的数据通讯与信息交换，并在模式切换以及正常工作过程中保证了无线充电系统的零无功。

权利要求

1.一种恒流-恒压无线充电系统的充电方法，其特征在于包括步骤：

(1)构建恒流-恒压无线充电系统，包括：逆变电源、初级侧电路、次级侧开关电路、整流稳压电路；

初级侧电路为由补偿电感LX、补偿电容Cp和发射线圈组成的LCL谐振电路；发射线圈的电感为Lp，内阻为R；

次级侧开关电路包括接收线圈、补偿电容Cs1、Cs2、补偿电感LY和开关S1、S2、S3；接收线圈的电感为Ls，内阻为R；接收线圈、Cs1和LY依次串联，该串联电路的两端作为次级侧开关电路的输出端并与整流稳压电路的输入端相连，整流稳压电路的输出端做为恒流-恒压无线充电系统的输出端；S1、S3分别与Cs1和LY并联；S2一端与Cs2相连，另一端与LY和Cs1的连接点相连，Cs2的另一端与次级侧开关电路的输出端相连；

逆变电源通过初级侧电路形成与次级侧开关电路参数无关的电流并通过发射电感Lp耦合至次级侧开关电路的接收电感Ls；逆变电源的输出频率与输出电压在充电过程中保持不变；

所述LX＝Lp，Ls＝LY，Cs1＝Cs2；

(2)对步骤(1)中构建的恒流-恒压无线充电系统进行参数设置：根据待充电的电池的标称电压Ubat,n预设恒流充电电流Ibat，根据使用的发射、接收线圈种类确定Lp、Ls、R以及发射、接收线圈之间的互感M；

设Cp＝C1，Cs1＝Cs2＝C2，LX＝Lp＝L1，Ls＝LY＝L2；根据已知参数计算逆变电源的输出电压Uin和谐振角频率ω：Req,bat＝Ubat,n/Ibat      (3)

式中，UE为整流稳压电路中二极管引起的压降；

根据谐振角频率ω计算C1、C2的值为：

(3)检测待充电的电池的实际电压Ubat，判断是否满足Ubat＜Ubat,n；若判断结果为满足，则闭合开关S1、S2，断开S3，对待充电电池进行恒流充电直至Ubat≥Ubat,n；若判断结果为不满足Ubat＜Ubat,n，则放弃充电；

(4)当待充电电池的实际电压在恒流充电下满足Ubat≥Ubat,n时，断开开关S1、S2，并闭合S3，对待充电电池进行恒压充电直至恒压充电电流值小于等于预设的阈值Imin。

说明书

一种恒流-恒压无线充电系统及其充电方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电池的无线充电领域，尤其是一种恒流-恒压无线充电系统及其充电方法。

背景技术

[0002] 无线电能传输技术具有传统有线传输方式所没有的诸多优点，利用无线的方式实现对手机等小型便携式设备充电，则可以极大地提高使用的灵活性和舒适性，而再也不用携带冗余的电源线。

[0003] 往往，电能的传输与存储是同等重要，因此依赖无线电能传输技术解决能量的传输问题的同时，也需要很好的解决能量的高效存储。目前我们周边常见的储能设备为电池，尤其是以锂电池为主，而对于锂电池来说，恒流(CC)、恒压(CV)充电是最常见的充电方式，它将锂电池的整个充电过程分为恒流充电和恒压充电两个个阶段。而对于一般的无线电能充电系统而言，若要实现CC至CV的充电切换，需要在无线系统的次级侧增加直流变换电路，这就增加了系统设计的成本与难度。但是，现如今的研究表明，经过合理的电路设计，无线电能传输系统本身是可以实现恒流或者恒压输出的。如果采用无线电能传输系统本身的性质来实现CC和CV充电，那么不仅会减少系统的设计难度，也会缩减成本。除此以外，若没有准确的理论推导，使用理论参数所设计的系统在实际应用中，定会偏离电池充电要求。

发明内容

[0004] 发明目的：为解决上述技术问题，提供一种能够仅通过开关控制而不改变电路其他参数的情况下，实现恒流至恒压充电切换的电路，本发明提出一种恒流-恒压无线充电系统及其充电方法。

[0005] 技术方案：本发明提出的技术方案为：

[0006] 一种恒流-恒压无线充电系统，包括：逆变电源、初级侧电路、次级侧开关电路、整流稳压电路；

[0007] 初级侧电路为由补偿电感LX、补偿电容Cp和发射线圈组成的LCL谐振电路；发射线圈的电感为Lp，内阻为R；

[0008] 次级侧开关电路包括接收线圈、补偿电容Cs1、Cs2、补偿电感LY和开关S1、S2、S3；接收线圈的电感为Ls，内阻为R；接收线圈、Cs1和LY依次串联，该串联电路的两端作为次级侧开关电路的输出端并与整流稳压电路的输入端相连，整流稳压电路的输出端做为恒流-恒压无线充电系统的输出端；S1、S3分别与Cs1和LY并联；S2一端与Cs2相连，另一端与LY和Cs1的连接点相连，Cs2的另一端与次级侧开关电路的输出端相连；

[0009] 逆变电源通过初级侧电路形成与次级侧开关电路参数无关的电流并通过发射电感Lp耦合至次级侧开关电路的接收电感Ls；逆变电源的输出频率与输出电压在充电过程中保持不变；

[0010] 所述LX＝Lp，Ls＝LY，Cs1＝Cs2。

[0011] 本发明还提出一种恒流-恒压无线充电系统的充电方法，包括步骤：

[0012] (1)构建上述恒流-恒压无线充电系统；

[0013] (2)对步骤(1)中构建的恒流-恒压无线充电系统进行参数设置：根据待充电的电池的标称电压Ubat,n预设恒流充电电流Ibat，根据使用的发射、接收线圈种类确定Lp、Ls、R以及发射、接收线圈之间的互感M；根据Ubat,n、Ibat、Lp、Ls、R和M确定逆变电源的输出电压Uin、谐振角频率ω以及恒流-恒压无线充电系统中的剩余参数：Cp、Cs1、Cs2；

[0014] (3)检测待充电的电池的实际电压Ubat，判断是否满足Ubat＜Ubat,n；若判断结果为满足，则闭合开关S1、S2，断开S3，对待充电电池进行恒流充电直至Ubat≥Ubat,n；若判断结果为不满足Ubat＜Ubat,n，则放弃充电；

[0015] (4)当待充电电池的实际电压在恒流充电下满足Ubat≥Ubat,n时，断开开关S1、S2，并闭合S3，对待充电电池进行恒压充电直至恒压充电电流值小于等于预设的阈值Imin。

[0016] 进一步的，所述步骤(2)中参数设置的方法为：

[0017] (3-1)设Cp＝C1，Cs1＝Cs2＝C2，LX＝Lp＝L1，Ls＝LY＝L2；根据已知参数计算逆变电源的输出电压Uin和谐振角频率ω：

[0018]

[0019]

[0020] Req,bat＝Ubat,n/Ibat   (3)

[0021] 式中，UE为整流稳压电路中二极管引起的压降；

[0022] (3-2)根据谐振角频率ω计算C1、C2的值为：

[0023]

[0024] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

[0025] (1)对电池参数的检测与恒压与恒流模式的切换控制，放在无线充电系统的接收侧(电池侧)进行，避免或减小了能量发射侧与接收侧的数据通讯与信息交换；

[0026] (2)拓扑的变换与切换简单，增加了系统切换动作的可靠性；

[0027] (3)模式切换以及正常工作过程中保证了无线充电系统的零无功，减小了电源的设计难度和提高电源的利用率；

[0028] (4)恒流充电和恒压充电的切换前后，保持发射端和系统的参数不变，提高了可靠性。

[0029] (5)本发明所提供的参数设计方法可以提升系统实际输出较理论输出的准确性。

附图说明

[0030] 图1为本发明所述恒流-恒压无线充电系统的电路原理图；

[0031] 图2为本发明所述恒流-恒压无线充电系统的充电流程图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0033] 本发明提出一种恒流-恒压无线充电系统，包括：高频逆变电源、初级侧电路、次级侧开关电路、整流稳压电路、电池；其中，电池为恒流-恒压无线充电系统的充电对象；高频逆变电源用于为恒流-恒压无线充电系统提供能量，并输出符合系统要求的频率与电压；初级侧电路用于在发射线圈处产生高频电流，并且该高频电流的电流值与次级侧电路参数无关；

[0034] 次级侧开关电路接收无线电能后，通过开关控制切换次级侧电路拓扑，完成恒流充电至恒压充电的切换；

[0035] 所述整流稳压电路用于将次级侧开关电路得到的交流电流、电压整流成为电池充电的直流电流、电压。

[0036] 图1所示为本发明所述恒流-恒压无线充电系统的电路原理图，图中，初级侧电路为由补偿电感LX、补偿电容Cp和发射线圈组成的LCL谐振电路；发射线圈的电感为Lp，内阻为R；

[0037] 次级侧开关电路包括接收线圈、补偿电容Cs1、Cs2、补偿电感LY和开关S1、S2、S3；接收线圈的电感为Ls，内阻为R；接收线圈、Cs1和LY依次串联，该串联电路的两端作为次级侧开关电路的输出端并与整流稳压电路的输入端相连，整流稳压电路的输出端做为恒流-恒压无线充电系统的输出端；S1、S3分别与Cs1和LY并联；S2一端与Cs2相连，另一端与LY和Cs1的连接点相连，Cs2的另一端与次级侧开关电路的输出端相连；

[0038] 逆变电源通过初级侧电路形成与次级侧开关电路参数无关的电流并通过发射电感Lp耦合至次级侧开关电路的接收电感Ls；逆变电源的输出频率与输出电压在充电过程中保持不变；

[0039] 整流稳压电路为由4个二极管组成的单向全波桥式整流电路；

[0040] 所述LX＝Lp，Ls＝LY，Cs1＝Cs2。

[0041] 所述恒流-恒压无线充电系统工作在角频率ω下，系统电能由逆变电源提供，所述逆变电源在系统拓扑切换前后保持相同的角频率ω和电压Uin输出，在初级侧电路中，电能先经过图1所示的Lp,Cp和LX所组成的LCL拓扑，在发射线圈中产生与次级侧拓扑参数无关的电流。其中，LX＝Lp＝L1，Cp＝C1。发射线圈与接收线圈之间的互感为M，能量经过发射线圈传输至接收线圈后，经次级侧开关电路处理。次级侧开关电路由Cs1、Cs2、Ls、LY、S1、S2、S3组成，其中Ls＝LY＝L2，Cs1＝Cs2＝C2，并由开关S1，S2，S3控制拓扑。图2为充电模式切换流程图，当充电对象电池欠压时，即电池端电压Ubat小于电池的标称电压Ubat,n，此时次级侧开关电路中S1,S2闭合，S3断开，次级侧开关电路此时为LCL电路，它与初级侧电路构成LCL-LCL型电路，用于实现电池的恒流充电。计算得Imn＝MUin/(ωL1C2RRL+ωL1L2)，其中RL是整流稳压电路和电池的等效电阻。Imn经整流稳压电路后，形成了为电池充电的直流电。

[0042] 假设，电池的标称电压为Ubat,n，电池的欠压时的电压为Ubat，那么正常情况下，两者之间ΔU＝Ubat,n-Ubat的变化不会太大，此时可认为恒流充电模式下，充电电流与电池的状态无关，可以实现对电池的恒流充电。

[0043] 在恒流充电过程中，电池端电压不断上升，当电池端电压Ubat≥Ubat,n时，开关S1，S2断开，S3闭合，此时次级侧拓扑为S型(串联谐振)拓扑，它与初级侧电路形成LCL-S型电路，实现为电池进行恒压充电。在恒流充电模式转至恒压充电过程中，除开关动作外，系统其余参数均不变。在电池的恒压充电过程中，电池端电压Ubat与逆变电源输出电压Uin的关系为：实现了对电池的恒压充电，其中UE为整流桥开关管压降。在电
池的恒压充电过程中，充电电流逐渐减小，本实施例预设一个最低电流阈值为Imin，当恒压充电电流值小于等于阈值Imin时停止充电。

[0044] 上述实现恒流-恒压无线充电系统的参数设计方法，包括如下步骤：

[0045] 步骤1，根据充电对象的特点，得到电池的标称电压Ubat,n，并且设计电池的充电电流Ibat；

[0046] 步骤2，依据无线充电系统的具体应用场合，测量得到发射线圈的电感，即Lp＝L1，令初级侧补偿电感LX＝L1。同样的，测出次级侧接收线圈电感，Ls＝L2,并且令次级侧补偿电感LY＝L2。此时，发射线圈与接收线圈间的互感M已知，且测得发射与接收线圈的近似内阻R，令补偿电容满足Cp＝C1，Cs1＝Cs2＝C2；

[0047] 步骤3，根据已知参数Ubat,n，Ibat，L1，L2，M计算系统的输入电压Uin。已知整流稳压电路中，每个二极管存在压降UE，根据整流前电压Umn与Ubat关系： 计算系统输入电压

[0048] 步骤4，在恒流充电模式下，整流桥输入端的电流Imn与系统输出电流Ibat满足为了保证充电模式变换前后电源Uin与谐振角频率ω不变，系统的谐振角频率为：

[0049]

[0050] 其中Req,bat＝Ubat,n/Ibat。

[0051] 步骤5，因补偿电容满足 因此可以根据ω得出补偿电容的大小。

[0052] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。