软开关电池无线充电器、充电方法及软开关充电控制方法

技术领域

本发明涉及软开关电池无线充电器、充电方法及软开关充电控制方法，属于电池无线充电技术领域。

背景技术

目前，各类智能化装备多依靠系统的内部电池进行供电。传统电能供给方式有插拔式有线供电和更换电池两大类，其存在依赖人工操作、需频繁回收充电、插拔器件、容易发生磨损并产生接触电火花等缺点。无线充电技术的出现，有效解决了传统有线供电模式存在的不足，目前已经在便携式电子设备、深海航行器、电动交通工具等诸多领域得到了广泛的应用。

现阶段，主流的电池充电方式采用两段式充电模式，即“先恒流，后恒压”。为了实现电池充电所需的恒流充电模式和恒压充电模式，近些年国内外研究人员做出了较多有益的探索。主要包括三种技术手段：即增加DC/DC变换器、频率切换技术以及设计新型复合拓扑。DC/DC变换器的引入不仅会增加系统的功率密度而且还会增加系统的损耗；频率切换技术需要构建发射机与接收机之间的无线通信环节，这会增加系统控制器的复杂度，此外还会引起频率分叉现象，对系统的稳定性也会产生负面影响；复合拓扑的提出可有效避免频率转换和增加DC/DC变换器存在的缺点，因此复合拓扑的构造成为近些年研究热点。然而，现有的复合拓扑存在器件数量多的缺点。因此，亟需构建一种含有少量元器件的复合拓扑。

另外，电池无线充电器通常工作在较高的频率下，功率开关器件的开关损耗占系统总损耗的比重较大。因此，让尽可能多的功率开关工作在软开关条件下，对改善系统的效率具有重要意义。现阶段，电池无线充电器实现软开关的最主要方式是调节补偿元件的参数，使得系统输入阻抗呈现感性，进而实现零电压软开通。然而，这种方式对参数要求苛刻，参数的漂移对软开关以及无功功率的大小影响较大，导致软开关稳定性差。

发明内容

针对现有电池无线充电器的复合拓扑结构复杂，实现软开关时对补偿元件的参数要求苛刻的问题，本发明提供一种软开关电池无线充电器、充电方法及软开关充电控制方法。

本发明提供了一种软开关电池无线充电器，包括直流供电电源V

直流供电电源V

耦合器包括发射线圈L

高频单相全桥逆变电路交流侧的参考正极点A经原边补偿电容C

辅助电路包括辅助谐振电感L

副边补偿网络包括补偿电容C

有源整流器的交流输入侧参考正极点C经模式转换开关Q连接补偿电感L

补偿电感L

根据本发明的软开关电池无线充电器，有源整流器包括开关管S

开关管S

开关管S

二极管D

根据本发明的软开关电池无线充电器，模式转换开关Q由两个MOSFET反向串联构成。

根据本发明的软开关电池无线充电器，高频单相全桥逆变电路包括开关管S

开关管S

开关管S

本发明还提供了一种软开关电池无线充电器的充电方法，基于所述软开关电池无线充电器实现，包括对电池负载进行先恒流后恒压的无线充电：

首先对电池负载进行恒流充电：使模式转换开关Q处于关断状态，二极管D

当电池负载的充电电压达到额定电压，对电池负载进行恒压充电：使模式转换开关Q处于导通状态，开关管S

本发明还提供了一种软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法，对所述软开关电池无线充电器进行充电控制，包括：

对高频单相全桥逆变电路采用单极式SPWM调制方法实现开关管的零电压软开通和零电流软关断。

根据本发明的软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法，高频单相全桥逆变电路实现零电压软开通和零电流软关断的过程包括：

若高频单相全桥逆变电路的输出电流为正方向，开关管S

根据本发明的软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法，对高频单相全桥逆变电路在一个开关周期内分10个工作阶段进行控制：

阶段1[0～t

阶段2[t

阶段3[t

阶段4[t

阶段5[t

阶段6[t

阶段7[t

阶段8[t

阶段9[t

阶段10[t

本发明的有益效果：本发明的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器中的高频单相全桥逆变电路中的开关管可在全负载范围内同时实现零电压软开通动作和零电流软关断动作，可靠地消除了高频逆变器中的开关损耗，并且其实现软开关的方式具有抗补偿参数偏移的能力。

本发明中的辅助电路具有低能耗特性，辅助开关管在全负载范围内可实现零电压软开通和零电流软关断动作，且控制简单。

本发明方法中对高频单相全桥逆变电路采用受限单极式SPWM调制策略，有利于进一步改善充电器的效率。

本发明的整流环节采用由两个MOSFET和两个二极管构成的有源整流电路，与传统的采用不可控整流电路(由四个二极管构成)相比具有效率高的优势。本发明在不需要频率切换和复杂控制的条件下，仅利用一个模式转换开关和少量的补偿元件即完成了恒流充电模式和恒压充电模式的切换。

附图说明

图1是本发明所述软开关电池无线充电器的结构示意图；图中V

图2是本发明所述软开关电池无线充电器的充电方法在恒流充电模式下的等效电路图；

图3是本发明所述软开关电池无线充电器的充电方法在恒压充电模式下的等效电路图；

图4至图13是软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法中软开关电池无线充电器的软开关换流工作在一个开关周期的10个阶段的等效电路图；其中图4为换流工作阶段1的等效电路图；图5为换流工作阶段2的等效电路图；图6为换流工作阶段3的等效电路图；图7为换流工作阶段4的等效电路图；图8为换流工作阶段5的等效电路图；图9为换流工作阶段6的等效电路图；图10为换流工作阶段7的等效电路图；图11为换流工作阶段8的等效电路图；图12为换流工作阶段9的等效电路图；图13为换流工作阶段10的等效电路图；

图14是软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法在一个开关周期内10个阶段的特征工作波形图；图中i

图15是软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法中，开关管S

图16是软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法中，辅助开关管S

图17是软开关电池无线充电器的软开关充电控制方法中，辅助开关管S

图18是软开关电池无线充电器的充电方法中，软开关电池无线充电器恒流充电模式下的实验波形；

图19是软开关电池无线充电器的充电方法中，软开关电池无线充电器恒压充电模式下的实验波形。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1所示，本实施方式提供了一种软开关电池无线充电器，包括直流供电电源V

直流供电电源V

耦合器包括发射线圈L

高频单相全桥逆变电路交流侧的参考正极点A经原边补偿电容C

辅助电路包括辅助谐振电感L

副边补偿网络包括补偿电容C

有源整流器的交流输入侧参考正极点C经模式转换开关Q连接补偿电感L

补偿电感L

本实施方式中，有源整流器包括开关管S

开关管S

开关管S

二极管D

模式转换开关Q由两个MOSFET反向串联构成。

高频单相全桥逆变电路包括开关管S

开关管S

开关管S

本实施方式提供的软开关电池无线充电器设计了低能耗辅助电路，可以实现对电池负载的高效充电。

具体实施方式二、结合图2、图3、图18和图19所示，本实施方式提供了一种软开关电池无线充电器的充电方法，基于具体实施方式一所述软开关电池无线充电器实现，包括对电池负载进行先恒流后恒压的无线充电：

首先对电池负载进行恒流充电：使模式转换开关Q处于关断状态，二极管D

当电池负载的充电电压达到额定电压，对电池负载进行恒压充电：使模式转换开关Q处于导通状态，开关管S

具体实施方式三、结合图4至图17所示，本实施方式提供了一种软开关电池无线充电器的全负载范围内软开关充电控制方法，对具体实施方式一所述软开关电池无线充电器进行充电控制，使得高频逆变器开关管同时实现零电压软开通和零电流软关断，包括：

对高频单相全桥逆变电路采用受限单极式SPWM调制方法实现开关管的零电压软开通和零电流软关断。由于恒流充电模式和恒压充电模式下的软开关工作原理一样，本实施方式的软开关方法仅侧重于高频单相全桥逆变电路。因此，在本实施方式中仅阐述系统能量发射侧的软开关工作原理。

进一步，高频单相全桥逆变电路实现零电压软开通和零电流软关断的过程包括：

若高频单相全桥逆变电路的输出电流为正方向，开关管S

再进一步，以高频单相全桥逆变电路输出电流为正方向时为例，结合图4至图14，对高频单相全桥逆变电路在一个开关周期内分10个工作阶段进行控制：

阶段1[0～t

I

阶段2[t

阶段3[t

阶段4[t

阶段5[t

阶段6[t

阶段7[t

阶段8[t

阶段9[t

阶段10[t

具体实施例：为验证具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器的有效性，选取额定电流为3A，额定电压为100V的锂电池进行实验，系统的工作频率为85kHz。实验结果如图15～图19所示。

在本实施例提供的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器下，开关管S

在本实施例提供的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器下，辅助开关管S

在本实施例提供的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器下，辅助开关管S

在本实施例提供的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器下，辅助开关管S

在本实施例提供的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器下，恒流模式下系统的关键实验波形如图18所示，可以看出系统的输出电流与电池的额定电流相同为3A。

在本实施例提供的具有低能耗辅助电路的软开关电池无线充电器下，恒压模式下系统的关键实验波形如图19所示，可以看出系统的输出电压与电池的额定电压相同为100V。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。