一种无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种无线充电系统。

背景技术

磁悬浮列车作为现代高科技轨道交通工具，给人们的日常生活带来很大的便利。在磁悬浮列车中的无线充电系统中会通常采用恒流-恒压模式充电以保障车载蓄电池的充电安全和使用寿命。

现有技术中的无线充电系统通常采用基于SS拓扑补偿的系统、基于S-LCL拓扑补偿的系统或基于发射端串联补偿的系统，其中：

在基于SS拓扑补偿的系统中，在发射端串入开关或并入开关，通过将电容切换进电路使系统输出特性在恒流/恒压状态切换，其电路如图1所示。当开关S1闭合时，系统工作在恒流充电模式，当开关S1断开时，系统工作在恒压充电模式。

在基于S-LCL拓扑补偿的系统中，一种是在发射端串入开关或并入开关，通过将电容切换进电路使系统输出特性在恒流/恒压状态切换，其电路如图2所示。当开关S1闭合时，系统工作在恒流充电模式，当开关S1断开时，系统工作在恒压充电模式。

在基于S-LCL拓扑补偿的系统中，另一种是在接收线圈并联支路串入开关或并入开关，通过将电容切换进电路使系统输出特性在恒流/恒压状态切换，其电路如图3所示。当开关S1断开时，系统工作在恒流充电模式，当开关S1闭合时，系统工作在恒压充电模式。

在基于发射端串联补偿的系统中，在接收端串入或并入3个开关，通过将与开关串联电容与电感切换进电路使系统补偿网络在SS与S-LCL之间转换，其电路如图4所示。当开关S1闭合，开关S2与开关S3断开时，为SS拓扑，系统工作在恒流充电模式，当开关S1断开，开关S2与开关S3闭合时，为S-LCL拓扑，系统工作在恒压充电模式。

上述各种无线充电系统确实能够解决充电系统中恒流-恒压模式切换的问题，但是在紧耦合充电系统中，其耦合结构几乎可以等效为变压器，恒压条件时，接收线圈不再需要任何无功元件补偿，因此上述充电系统结构在恒压模式下均有缺陷，第一种拓扑结构恒压条件下接收侧依然采用串联补偿，在紧耦合无线供电系统中反而会影响系统增益，其他三种结构拓扑结构中需要补偿电感，增加了接收侧的安装空间，同时电感器件也会造成额外的损耗，而本发明避免引入电感器降低了电路的损耗。

鉴于此，如何提供适用于紧耦合线圈恒压补偿特点、结构简单、并且能够降低电路损耗的无线充电系统，成为本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种无线充电系统，在使用过程中能够适应紧耦合线圈恒压补偿特点，结构简单，电路损耗小。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种无线充电系统，包括：逆变器、整流器、发射线圈、接收线圈和补偿网络，所述逆变器的第一端与所述补充网络的第一端连接，所述逆变器的第二端与所述发射线圈的第一端连接，所述补偿网络的第二端与所述发射线圈的第二端连接，所述补充网络的第三端与所述整流器的第一端连接，所述补偿网络的第四端与所述接收线圈的第一端连接，所述接收线圈的第二端与所述整流器的第二端连接，所述补偿网络可在LLC拓扑和SS拓扑之间切换，恒流模式下所述补偿网络切换为SS拓扑，并且输出电流与负载无关，恒压模式下所述补偿网络切换为LLC拓扑。

在一种实施例中，所述补偿网络包括第一电容、第二电容、第三电容、第一可控开关和第二可控开关，其中：

所述第一电容的第二端与所述第二电容第一端连接，所述第二电容的第二端作为所述补偿网络的第二端与所述发射线圈的第二端连接，所述第一电容的第一端作为所述补偿网络的第一端；所述第一可控开关并联至所述第一电容的两端；

所述第三电容的第一端作为所述补偿网络的第三端与所述整流器的第一端连接，所述第三电容的第二端作为所述补偿网络的第四端与所述接收线圈的第一端连接，所述第二可控开关并联至所述第三电容的两端；

在恒流模式下所述第一可控开关和所述第二可控开关均断开，所述补偿网络切换为SS拓扑；在恒压模式下所述第一可控开关和所述第二可控开关均闭合，所述补偿网络切换为LLC拓扑。

在一种实施例中，还包括控制器，所述控制器的输入连接所述整流器的输出端，所述控制器的控制端连接所述第一可控开关的控制端和所述第二可控开关的控制端；所述控制器，用于在直流输出侧电压小于预设电压的情况下控制所述第一可控开关和所述第二可控开关均断开，使所述补偿网络切换至SS拓扑；在直流输出侧电压达到所述预设电压的情况下控制所述第一可控开关和所述第二可控开关均闭合，使所述补偿网络切换至LLC拓扑。

在一种实施例中，所述逆变器为单相全桥逆变器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：

所述第一开关管和所述第三开关管串联、连接端作为所述逆变器的第一输出端，所述第二开关管和所述第四开关管串联、连接端作为所述逆变器的第二输出端，串联后的所述第一开关管、所述第三开关管与串联后的所述第二开关管、所述第四开关管并联，并联后的两端接直流输入电压。

在一种实施例中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管均为PMOS。

在一种实施例中，所述整流器为无源整流器，包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，其中：

所述第一二极管和所述第三二极管串联，所述第二二极管和所述第四二极管串联，串联后的所述第一二极管、所述第三二极管与串联后的所述第二二极管、所述第四二极管并联；所述第二二极管和所述第四二极管的连接端作为所述接收端的第一输入端，所述第一二极管和所述第三二极管的连接端作为所述接收端的第二输入端；所述第一二极管和所述第二二极管的连接端作为所述接收端的第一输出端，所述第三二极管和所述第四二极管的连接端作为所述接收端的第二输出端。

在一种实施例中，所述整流器还包括第四电容和电阻，所述第四电容和所述电阻均与串联后的所述第一二极管、所述第三二极管并联。

在一种实施例中，所述发射线圈的磁芯为E型，所述接收线圈的磁芯为T型。

在一种实施例中，所述发射线圈的中间磁柱的高度低于两侧磁柱的高度，所述发射线圈的线圈缠绕至E型线圈的中间磁柱两侧；所述接收线圈的线圈缠绕于T型线圈的中间磁柱上。

在一种实施例中，所述接收线圈的中间磁柱与所述发射线圈的中间磁柱对齐设置，所述接收线圈的两侧磁柱与所述发射线圈的两侧磁柱分别对齐。

本发明实施例提供了一种无线充电系统，包括：逆变器、整流器、发射线圈、接收线圈和补偿网络，逆变器的第一端与补充网络的第一端连接，逆变器的第二端与发射线圈的第一端连接，补偿网络的第二端与发射线圈的第二端连接，补充网络的第三端与整流器的第一端连接，补偿网络的第四端与接收线圈的第一端连接，接收线圈的第二端与整流器的第二端连接，补偿网络可在LLC拓扑和SS拓扑之间切换，恒流模式下补偿网络切换为SS拓扑，并且输出电流与负载无关，恒压模式下补偿网络切换为LLC拓扑。

可见，本发明实施例中的无线充电系统中的逆变器通过补偿网络、发射线圈、接收线圈与整流器连接，并且补偿网络在LLC拓扑和SS拓扑之间切换，其中，在恒流模式下补偿网络切换为SS拓扑，并且输出电流与负载无关，恒压模式下补偿网络切换为LLC拓扑，从而通过改变补偿网络的拓扑类型来满足电池初期恒流充电和后期恒压充电，同时适应紧耦合线圈恒压补偿特点，结构简单、体积小，电路损耗小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种基于SS拓扑补偿的充电系统；

图2为现有技术中的一种基于S-LCL拓扑补偿的充电系统；

图3为现有技术中的另一种基于S-LCL拓扑补偿的充电系统；

图4为现有技术中的一种基于发射端串联补偿的充电系统；

图5为本发明实施例提供的一种无线充电系统的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电路图；

图7为本发明实施例提供的一种恒流模式等效电路图；

图8为本发明实施例提供的一种恒压模式等效电路图；

图9为本发明实施例提供的一种无线充电线圈的模式切换流程示意图；

图10为本发明实施例提供的一种接收线圈的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种发射线圈的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种无线充电系统，在使用过程中能够适应紧耦合线圈恒压补偿特点，结构简单、体积小，电路损耗小。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种无线充电系统的结构示意图。该无线充电系统，包括：逆变器1、整流器2、发射线圈3、接收线圈4和补偿网络5，逆变器1的第一端与补充网络5的第一端连接，逆变器1的第二端与发射线圈3的第一端连接，补偿网络5的第二端与发射线圈3的第二端连接，补充网络5的第三端与整流器2的第一端连接，补偿网络5的第四端与接收线圈4的第一端连接，接收线圈4的第二端与整流器2的第二端连接，补偿网络5可在LLC拓扑和SS拓扑之间切换，恒流模式下补偿网络5切换为SS拓扑，并且输出电流与负载无关，恒压模式下补偿网络5切换为LLC拓扑。

需要说明的是，本发明实施例中的无线充电系统的逆变器1将输入侧的直流电转换为交流电后通过发射线圈3输出至补偿网络5，补偿网络5通过对交流电流进行处理后通过接收线圈4传输至整流器2，整流器2通过对交流电流进行整流形成直流电进行输出，其中，本发明实施例中的补偿网络5可以在LLC拓扑和SS拓扑之间进行切换，并且在恒流模式下补偿网络5切换为SS拓扑，此时输出电流与负载无关，在恒压模式下补偿网络5切换为LLC拓扑，从而通过改变补偿网络3的拓扑类型来满足电池初期恒流充电和后期恒压充电，本发明实施例中的无线充电系统适应紧耦合线圈恒压补偿特点，并且结构简单、体积小，有利于减少电路损耗。

在上述实施例的基础上，本发明实施例对技术方案作进一步的介绍和说明，具体请参照图6。

进一步的，本发明实施例总的补偿网络3包括第一电容C

第一电容C

第三电容C

在恒流模式下第一可控开关S

需要说明的是，本发明实施例中补偿网络采用可配置拓扑，其可在LLC拓扑和SS拓扑之间相互切换。本发明实施例中的L

更进一步的，在实际应用中该无线充电系统还可以还包括控制器，控制器的输入连接整流器2的输出端，控制器的控制端连接第一可控开关S

也即，在实际应用中可以通过检测直流输出侧电压，并在该直流输出侧电压小于预设电压时将补偿电路3切换至SS拓扑，在直流输出侧电压达到预设电压的情况下，将补偿电路3切换至LLC拓扑。

进一步的，逆变器1为单相全桥逆变器，包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：

第一开关管和第三开关管串联、连接端作为逆变器1的第一输出端，第二开关管和第四开关管串联、连接端作为逆变器1的第二输出端，串联后的第一开关管、第三开关管与串联后的第二开关管、第四开关管并联，并联后的两端接直流输入电压。

具体的，本发明实施例中的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为PMOS，具体可以分别为P

进一步的，整流器2为无源整流器，包括第一二极管D

第一二极管D

具体的，在实际应用中为了整流器2还包括第四电容C和电阻R

其中，图6中的U

需要说明的是，在恒流模式时无线充电系统的补偿网络3切换为SS拓扑，此时第一可控开关S

对发射端和接收端分别列写KVL(Kirchhoff Laws，基尔霍夫电流定律)方程，如关系式(2)：

其中，j表示虚数单位，

将(1)代入关系式(2)化简得出系统发射线圈和接收线圈电流的表达式(3)：

由(3)可知，系统的输出电流(瞬时值)i2仅和输入电压和互感M有关，与负载无关。因此系统为恒流输出模式。

恒压模式时，无线充电系统的补偿网络2切换为LLC拓扑，此时第一可控开关S

为了让系统工作在恒流输出模式，应使得u2与i2无关，因此计算得到Cp2与整流器输入电压分别为：

由上述关系式可知，整流器输入电压仅和系统本身补偿网络数值有关，和负载无关，可为蓄电池提供恒压充电。

在恒压模式下，无线充电系统并未处于完全谐振状态，为感性输入阻抗Z

感性输入阻抗可以使逆变器处于软开关状态，在高频操作中能有效降低开关损耗，减少高频开关噪声引起的电磁干扰。具体的，在感性输入阻抗可以使逆变器处于软开关状态时，软开关指开关管漏源极电压为零时给栅极导通信号，此时开关管是零电压导通，开关损耗为零。与之相反的是硬开关操作，即开关管漏源极电压不等于零时给栅极导通信号，此时开关损耗大，且存在高频开关噪声，会造成电磁干扰。因此软开关操作可以减低高频系统里的开关损耗，减少高频开关噪声引起的电磁干扰。

还需要说明的是，针对恒流-恒压模式的切换，具体的在电池充电恒流过程中，随着电量不断增加，电池内阻也不断增加，因此为了保持输出电流的恒定，则输出电压U

其中，可以采用U

则切换前后的直流侧输出电压增益可以表示为：

随着R

还需要说明的是，一般无线充电系统的发射线圈和接收线圈耦合系数较低(例如≤～0.3)，为提升紧凑空间应用下的功率传输能力，可以通过设计发射线圈、接收线圈和磁芯等结构来提升耦合系数(≥～0.6)，现有的方法通常将发射线圈和接收线圈分别绕在两个E型磁芯中间支柱，两个磁芯正对，形成闭合回路，然而，这种方法的磁芯体积设计较大，有效体积使用率低。针对该技术问题，本发明实施例中对发射线圈和接收线圈的结构进行了改进，具体如下：

请参照图10和图11，本发明实施例中的发射线圈L

具体的，接收线圈L

可见，本发明实施例中的无线充电系统中的逆变器通过补偿网络、发射线圈、接收线圈与整流器连接，并且补偿网络在LLC拓扑和SS拓扑之间切换，其中，在恒流模式下补偿网络切换为SS拓扑，并且输出电流与负载无关，恒压模式下补偿网络切换为LLC拓扑，从而通过改变补偿网络的拓扑类型来满足电池初期恒流充电和后期恒压充电，同时适应紧耦合线圈恒压补偿特点，结构紧凑，电路损耗小。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。