基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路。本发明专利技术针对于锂电池无线充电，实现了充电系统恒流充电和恒压充电两种充电模态的自适应切换，并且在充电过程中系统运行在零相角状态，有助于提高无线充电的效率，为锂电池复合式无线充电问题提供了一种解决方案。

Constant voltage / constant current wireless charging system based on TS / Fs variable structure compensation network of transmitter

The invention discloses a constant voltage / constant current wireless charging system based on the TS / Fs variable structure compensation network at the transmitter, which includes a main circuit part and a control circuit part, the main circuit part includes a DC power supply, a high frequency inverter circuit, a TS / Fs variable structure compensation network at the transmitter, a radiation coil, a receiving coil, a series compensation circuit at the receiver, a rectifier circuit and a lithium battery group The control circuit includes current sensor, voltage sensor, conditioning circuit, a / D conversion circuit, FPGA controller, level conversion circuit, relay driving circuit and switch driving circuit. For wireless charging of lithium battery, the invention realizes adaptive switching of two charging modes of charging system, namely constant current charging and constant voltage charging, and the system runs in zero phase angle state in the charging process, which is helpful to improve the efficiency of wireless charging, and provides a solution for composite wireless charging of lithium battery.

【技术实现步骤摘要】
基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统
本专利技术涉及锂电池无线充电领域，具体涉及一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统。
技术介绍
锂电池凭借其独有的特性与优势广受电动汽车等新能源市场的青睐，然而现有锂电池的充电方法大多为接触式充电，其充电过程无法实现自动化和智能化，如能基于无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术实现锂电池的非接触充电，将会极大地提高锂电池充电的灵活性与安全性。在锂电池无线充电系统中，单一的恒流充电或者恒压充电方式会破坏电池的性能，大大降低电池的使用寿命，而恒流转恒压切换式充电更贴近锂电池理想充电曲线。现有的切换式无线充电控制方法通过检测电池的充电电压是否达到锂电池充电阈值电压来控制原边的开关管和切换开关，通信信号跨越发射端和接收端，容易受到线圈之间的高频磁场的影响，造成通信信号不稳定的情况。因此，针对锂电池恒流恒压充电的无线充电系统还需进一步研究与完善。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，其中，高频逆变电路的输入端连接直流电源，高频逆变电路的输出端连接TS/FS变结构补偿网络的输入端，发射端TS/FS变结构补偿网络的输出端连接发射线圈，接收线圈连接串联补偿输入端，串联补偿输出端连接整流电路输入端，整流电路输出端连接锂电池组。所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路，其中，调理电路输入端分别连接电流传感器和电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路连接FPGA控制器，FPGA控制器分别连接电平转换电路和开关管驱动电路，电平转换电路连接继电器驱动电路，开关管驱动电路连接高频逆变器的四个开关管。上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述发射端TS/FS变结构补偿网络由补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp、发射线圈、切换开关S1、切换开关S2构成，其中补偿电感L1一次侧连接高频逆变器左桥臂，补偿电感L1二次侧连接补偿电感L2一次侧，补偿电容C1t一次侧连接补偿电感L1二次侧，补偿电容C1t二次侧连接发射线圈Lp二次侧，切换开关S1一次侧连接补偿电感L1二次侧，切换开关S1二次侧连接补偿电容C1s一次侧，补偿电容C1s二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电感L2二次侧连接切换开关S2一次侧，切换开关S2二次侧连接补偿电容C2一次侧，补偿电容C2二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电容Cp一次侧连接补偿电感L2二次侧，补偿电容Cp二次侧连接发射线圈Lp一次侧，发射线圈Lp二次侧连接高频逆变器右桥臂。上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统,所述发射端TS/FS变结构补偿网络，当开关S1断开，开关S2断开，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容Cp构成的TS补偿网络，系统处于恒压充电模式。当开关S1闭合，开关S2闭合，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp构成的FS补偿网络，系统处于恒流充电模式。上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述发射端补偿电容Cp和发射线圈Lp满足以下条件：其中f为系统工作频率。上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述发射端补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2满足以下条件：其中f为系统工作频率。上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述控制电路中关于控制开关S1、S2切换准则，根据如下步骤推导该无线充电系统从恒流充电模态切换为恒压充电模态的判断条件：步骤一，根据发射线圈和接收线圈的耦合关系以及整流桥输入电压和输出电压关系构建充电电压和发射线圈电流表达式：其中，ip为发射线圈电流，UB为系统输出充电电压，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，当线圈之间的间距固定时，互感可通过常规互感测量方法获取，f为系统工作频率。步骤二，将锂电池阈值电压UBAT代入上述表达式求出系统充电模态转换对应的发射线圈基准电流：其中，Ip为发射线圈基准电流，UBAT为锂电池阈值电压，可根据锂电池属性获取，M为发射线圈与接收线圈之间的互感，当线圈之间的间距固定时，互感可通过常规互感测量方法获取，f为系统工作频率。步骤三，将发射线圈电流ip和Ip相比较，得到无线充电系统从恒流充电模态切换为恒压充电模态的判断条件：ip≥Ip；其中，ip为发射线圈电流，Ip为发射线圈基准电流，当发射线圈电流ip小于发射线圈基准电流Ip时，切换开关S1、S2处于闭合状态，当发射线圈电流ip大于或等于发射线圈基准电流Ip时，切换开关S1、S2处于断开状态。上述基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，所述控制电路根据如下步骤运行：步骤一，电流传感器检测发射线圈电流生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电流数字信号送入FPGA控制器；步骤二，电压传感器检测发射线圈电压生成模拟信号，经调理电路、AD转换电路后生成数字信号，并将电压数字信号送入FPGA控制器；步骤三，FPGA控制器经过判断生成两组控制信号，分别传送至继电器驱动电路与开关管驱动电路；步骤四，开关管驱动电路电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成开关动作信号，从而达到控制开关S1、S2通断的目的；步骤五，开关管驱动电路根据FPGA控制器送入的控制信号生成驱动信号，作为逆变器的控制信号，从而实现对逆变器中开关器件的导通时间的控制。本专利技术针对锂电池恒流转恒压复合式无线充电问题，实现了无线充电系统恒流充电和恒压充电两种充电模态的自适应切换，并且在充电过程中系统运行在零相角状态，有助于提高无线充电的效率，为锂电池复合式无线充电问题提供了一种解决方案。附图说明图1为本专利技术的系统装置电路图。图2为本专利技术的两种充电模态下发射端补偿网络结构示意图。图3为本专利技术运行结果示意图。图4为本专利技术运行结果示意图。图5为本专利技术运行结果示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，其中，高频逆变电路的输入端连接直流电源，高频逆变电路的输出端连接TS/FS变结构补偿网络的输入端，发射端TS/FS变结构补偿网络的输出端连接发射线圈，接收线圈连接串联补偿输入端，串联补偿输出端连接整流电路输入端，整流电路输出端连接锂电池组。所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路，其中，调理电路输入端分别连接电流传感器和电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路连接FPGA控制器，FPGA控制器分别连接电平转换电路和开关管驱动电路，电平转换电路连接继电器驱动电路，开关管驱动电路连接高频逆变器的四个开关管。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：所述主电路部分包括直流电源、高频逆变电路、发射端TS/FS变结构补偿网络、发射线圈、接收线圈、接收端串联补偿电路、整流电路、锂电池组，其中，高频逆变电路的输入端连接直流电源，高频逆变电路的输出端连接TS/FS变结构补偿网络的输入端，发射端TS/FS变结构补偿网络的输出端连接发射线圈，接收线圈连接串联补偿输入端，串联补偿输出端连接整流电路输入端，整流电路输出端连接锂电池组。所述控制电路包括电流传感器、电压传感器、调理电路、A/D转换电路、FPGA控制器、电平转换电路、继电器驱动电路、开关管驱动电路，其中，调理电路输入端分别连接电流传感器和电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路连接FPGA控制器，FPGA控制器分别连接电平转换电路和开关管驱动电路，电平转换电路连接继电器驱动电路，开关管驱动电路连接高频逆变器的四个开关管。


2.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述发射端TS/FS变结构补偿网络由补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp、发射线圈、切换开关S1、切换开关S2构成，其中补偿电感L1一次侧连接高频逆变器左桥臂，补偿电感L1二次侧连接补偿电感L2一次侧，补偿电容C1t一次侧连接补偿电感L1二次侧，补偿电容C1t二次侧连接发射线圈Lp二次侧，切换开关S1一次侧连接补偿电感L1二次侧，切换开关S1二次侧连接补偿电容C1s一次侧，补偿电容C1s二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电感L2二次侧连接切换开关S2一次侧，切换开关S2二次侧连接补偿电容C2一次侧，补偿电容C2二次侧连接发射线圈Lp二次侧，补偿电容Cp一次侧连接补偿电感L2二次侧，补偿电容Cp二次侧连接发射线圈Lp一次侧，发射线圈Lp二次侧连接高频逆变器右桥臂。


3.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述发射端TS/FS变结构补偿网络，当开关S1断开，开关S2断开，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容Cp构成的TS补偿网络，系统处于恒压充电模式。当开关S1闭合，开关S2闭合，发射端补偿网络为补偿电感L1、补偿电感L2、补偿电容C1t、补偿电容C1s、补偿电容C2、补偿电容Cp构成的FS补偿网络，系统处于恒流充电模式。


4.如权利要求1所述的基于发射端TS/FS变结构补偿网络的恒压/恒流型无线充电系统，其特征在于：所述发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭平安，廖佳威，谭廷玉，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43