一种高压、低压电池双频解耦无线充电系统及方法

本发明涉及无线电能传输，具体为一种高压、低压电池双频解耦无线充电系统及方法。

背景技术：

1、随着无线电能传输技术在电动汽车及多电源系统中的应用不断发展，系统中通常同时配置高压电池与低压电池。其中，高压电池主要用于驱动系统供能，低压电池则用于控制单元、辅助设备及低压电子负载供电。因此，实现高压电池与低压电池的独立、安全和稳定充电，是多电压等级无线充电系统中的重要技术问题。

2、现有无线电能传输系统在多电压等级电池充电方面仍存在不足。首先，部分系统中高压电池与低压电池的充电过程难以有效解耦，在为高压电池供能时，低压电池可能同时被迫充电，容易带来过充风险和安全隐患。其次，为实现高/低压电池独立控制，部分方案需要引入交流开关、继电器或额外补偿支路，通过切换不同充电路径完成能量分配。该类方式不仅增加系统复杂度和控制难度，而且开关器件可能承受较大的感应电压应力，降低系统可靠性。再次，部分多输出无线供电方案需要对磁耦合机构施加严格设计约束，或者引入多套磁耦合机构实现多路供电，导致系统体积、重量、成本和设计复杂度增加。

3、因此，有必要提出一种无需额外交流开关、无需多套磁耦合机构，并能够基于工作频率选择性激活高压侧或低压侧输出支路的无线充电系统及方法，以实现高压电池与低压电池的独立可控充电，提高系统可靠性和工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种高压、低压电池双频解耦无线充电系统及方法，能够实现高压侧负载和低压侧负载的解耦无线供电及独立充电控制，减少接收侧线圈和支路切换开关器件的使用，简化磁耦合结构及充电控制方式，提高高/低压电池无线充电系统的集成度和运行可靠性。

2、本发明采用的技术方案是：一种高压、低压电池双频解耦无线充电系统，包括高频逆变模块、原边补偿结构、发射线圈、接收线圈、高压侧补偿支路、低压侧补偿支路、高压侧整流滤波模块和低压侧整流滤波模块，所述高频逆变模块经所述原边补偿结构与所述发射线圈连接，所述发射线圈与所述接收线圈磁耦合，所述高压侧补偿支路和所述低压侧补偿支路分别经对应的整流滤波模块与高压侧负载和低压侧负载连接；

3、所述高压侧补偿支路和所述低压侧补偿支路并联设置于同一所述接收线圈的后级；

4、所述高压侧补偿支路和所述低压侧补偿支路分别包括三个补偿电容和两个补偿电感，且两者具有相同的补偿拓扑和不同的补偿参数；

5、所述高频逆变模块被配置为在第一工作频率和第二工作频率之间切换输出高频交流激励；

6、所述原边补偿结构、高压侧补偿支路和低压侧补偿支路的补偿参数根据所述第一工作频率和第二工作频率协同配置，使得：

7、在所述第一工作频率下，所述高压侧补偿支路处于传能状态，所述低压侧补偿支路处于失谐抑制状态；

8、在所述第二工作频率下，所述低压侧补偿支路处于传能状态，所述高压侧补偿支路处于失谐抑制状态。

9、作为优选方案，所述原边补偿结构具有分别与所述高频逆变模块的两个输出端连接的第一原边端口和第二原边端口；

10、所述第一原边端口与第一原边补偿电感的一端连接；

11、所述第一原边补偿电感的另一端与第一原边补偿电容的一端连接；

12、所述第一原边补偿电容的另一端连接于第一原边节点；

13、所述第一原边节点分别与第二原边补偿电容的一端、第二原边补偿电感的一端以及第三原边补偿电容的一端连接；

14、所述第二原边补偿电容的另一端、第二原边补偿电感的另一端以及发射线圈的一端均连接于所述第二原边端口；

15、所述第三原边补偿电容的另一端与所述发射线圈的另一端连接。

16、作为优选方案，所述高压侧补偿支路和所述低压侧补偿支路具有相同的补偿拓扑，任一所述补偿支路均包括第一支路补偿电容、第二支路补偿电容、第三支路补偿电容、第一支路补偿电感和第二支路补偿电感；

17、所述接收线圈的一端分别与所述第三支路补偿电容的一端以及对应的整流滤波模块的第一交流输入端连接，所述接收线圈的另一端经所述第一支路补偿电容连接至第一补偿节点；

18、所述第一补偿节点分别与第一支路补偿电感的一端以及第二支路补偿电容的一端连接；

19、所述第一支路补偿电感的另一端、第二支路补偿电容的另一端、第三支路补偿电容的另一端以及第二支路补偿电感的一端连接于第二补偿节点；

20、第二支路补偿电感的另一端与整流滤波模块的第二交流输入端连接。

21、作为优选方案，在所述第一工作频率下，所述高压侧补偿支路实现恒流输出，所述低压侧补偿支路的输出电流被抑制至接近于零；

22、在所述第二工作频率下，所述低压侧补偿支路实现恒流输出，所述高压侧补偿支路的输出电流被抑制至接近于零。

23、作为优选方案，所述原边补偿结构、高压侧补偿支路和低压侧补偿支路的补偿参数还被配置为，使所述系统在所述第一工作频率和第二工作频率下满足零相角输入条件。

24、作为优选方案，所述高频逆变模块为全桥逆变电路、半桥逆变电路、class-d逆变电路或class-e逆变电路。

25、作为优选方案，所述高压侧整流滤波模块和低压侧整流滤波模块分别为二极管整流滤波电路、有源整流滤波电路或同步整流滤波电路。

26、作为优选方案，当所述系统工作于第一工作频率时，所述原边补偿结构、高压侧补偿支路和低压侧补偿支路满足如下参数关系：

27、

28、且在所述第一工作频率下满足零相角输入时，所述原边补偿结构和高压侧补偿支路进一步满足如下参数关系：

29、

30、式中，ω1=2πf1为工作频率f1对应的工作角频率；lp1、lp2分别表示第一原边补偿电感和第二原边补偿电感的电感值；lp3表示发射线圈的自感值；ls1表示接收线圈的自感值；ls2、ls3分别表示高压侧补偿支路中的第一支路补偿电感和第二支路补偿电感的电感值；ls4表示低压侧补偿支路中的第一支路补偿电感的电感值；cp1、cp2、cp3分别表示第一原边补偿电容、第二原边补偿电容和第三原边补偿电容的电容值；cs1、cs2、cs3分别表示高压侧补偿支路中的第一支路补偿电容、第二支路补偿电容和第三支路补偿电容的电容值；cs5表示低压侧补偿支路中的第二支路补偿电容的电容值。

31、作为优选方案，当所述系统工作于第二工作频率时，所述原边补偿结构、高压侧补偿支路和低压侧补偿支路满足如下参数关系：

32、

33、且在所述第二工作频率下满足零相角输入时，所述原边补偿结构和低压侧补偿支路进一步满足如下参数关系：

34、

35、式中，ω2=2πf2为工作频率f2对应的工作角频率；ls5表示低压侧补偿支路中的第二支路补偿电感的电感值；cs4、cs6分别表示低压侧补偿支路中的第一支路补偿电容、第三支路补偿电容的电容值。

36、一种高压、低压电池双频解耦无线充电方法，应用于包括高频逆变模块、原边补偿结构、相互磁耦合的发射线圈和接收线圈、高压侧补偿支路、低压侧补偿支路、高压侧整流滤波模块和低压侧整流滤波模块的无线充电系统，所述高压侧补偿支路和低压侧补偿支路分别经对应的整流滤波模块与高压侧负载和低压侧负载连接，包括：

37、将分别包括三个补偿电容和两个补偿电感的所述高压侧补偿支路和低压侧补偿支路并联设置于同一所述接收线圈的后级，并使所述高压侧补偿支路和低压侧补偿支路具有相同的补偿拓扑和不同的补偿参数；

38、根据第一工作频率和第二工作频率，对所述原边补偿结构、高压侧补偿支路和低压侧补偿支路的补偿参数进行协同配置，使所述高压侧补偿支路和低压侧补偿支路在所述第一工作频率和第二工作频率下形成相互交换的传能状态和失谐抑制状态；

39、对所述高压侧负载进行无线充电时，控制所述高频逆变模块以所述第一工作频率输出高频交流激励，使所述高压侧补偿支路处于传能状态，且所述低压侧补偿支路处于失谐抑制状态；

40、对所述低压侧负载进行无线充电时，将所述高频逆变模块的输出频率由所述第一工作频率切换至所述第二工作频率，使所述低压侧补偿支路处于传能状态，且所述高压侧补偿支路处于失谐抑制状态。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、1.本发明通过双频调控机制，在不同工作频率下选择性激活对应输出支路，实现高压电池与低压电池的独立充电和有效解耦，避免相互干扰及过充问题。

43、2.本发明无需引入交流开关、继电器或额外切换电路，仅通过频率切换与补偿参数设计即可实现不同输出支路的选择性工作，降低系统复杂度并提高运行可靠性。

44、3.本发明采用单发射线圈与单接收线圈的磁耦合结构即可实现双输出功能，无需多套磁耦合机构或复杂磁耦合设计约束，有利于提升系统功率密度和集成度。

45、4.本发明通过补偿参数设计，使高压侧和低压侧在对应工作频率下均具备恒流输出能力，有利于电池安全充电及充电过程控制。

46、5.本发明具有良好的可设计性和可扩展性，可根据不同电压等级、不同电池容量和不同功率需求对补偿参数进行优化设计。