一种针对锂电池充电的无线供电系统设计方法

1.本发明属于针对锂电池的无线电能传输技术领域，具体涉及一种针对锂电池充电的无线供电系统设计方法。


背景技术：

2.锂电池作为新型的储能物体，相对于普通电池有着体积小、效率高、寿命长等特点，已经成为电子产品、电动汽车等生活必需品的主要储能物体。基于导线的充电具有电火花、线路凌乱、线路老化等缺点，存在很大的安全隐患。无线电能传输作为一种新型的供电方式，可以很好地解决这些问题。锂电池作为特殊的负载，在充电过程中等效电阻会持续升高，为了延长锂电池的使用寿命，通常的充电方式为先恒流后恒压的模式，充电初期采用恒流的方式，当电压升高到预设值时切换为恒压充电，之后电流减小到一定值时充电完成。
3.目前针对锂电池的恒流恒压充电方案主要有三种，第一种是通过复杂的控制技术来切换工作状态，这种方法增加了控制的复杂性，且复杂的控制元件占用了大量空间，不仅增加成本，庞大的空间占用也不符合电动汽车充电的要求；第二种是通过两种不同的拓扑结构，也就是进行恒流恒压的切换，即利用开关元件进行切换，既增加了应用成本，在实际应用中也十分不方便；第三种为频率切换两种工作模式，通过将恒流恒压两种模式设置在两个不同频率点工作，这样无需增加额外的无功元件，但恒压输出时的电压增益仅与线圈互感有关，在线圈尺寸与位置不改变的前提下，电压增益单一，不能适用于多个电池。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是提供了一种针对锂电池充电的无线供电系统设计方法，该方法基于四线圈串联补偿结构，并且给出了四线圈串联结构中原件参数的计算方法。通过该方法可以实现先恒流充电后恒压充电，切换充电方式是通过改变激励频率实现的；同时该方法解决了以往方法充电单一的弊端，当电压增益与电流增益可以根据要求来改变，当需要不同的电压增益或电流增益时，只需要改变调谐电容就能实现，并且所有工作状态都满足零相角条件；并且该方法不需要额外的控制技术以及无功元件，结构简单，操作方便。
5.本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种针对锂电池充电的无线供电系统设计方法，其特征在于：所述无线供电系统包含直流电源、全桥逆变器、发射线圈、中继线圈一、中继线圈二、接收线圈、整流滤波电路和负载，其中发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈分别对应串联谐振电容一、谐振电容二、谐振电容三和谐振电容四，中继线圈一、中继线圈二及发射线圈同轴同平面设置，接收线圈与发射线圈同轴平行设置；
6.所述无线供电系统的具体设计步骤如下：
7.步骤一：在充电开始时采用恒流充电模式，推导出调谐电容的表达式
8.针对四线圈结构列出对应的kvl方程，为了方便计算，忽略每个线圈的内阻
[0009][0010]
其中
[0011][0012]
式中，zi为第i个线圈的阻抗，其中i＝1,2,3,4且分别对应发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈，以下同上，忽略线圈自身内阻；z
mn
为第m个线圈与第n个线圈之间的互阻抗，m,n＝1,2,3,4，u
in
逆变器向耦合网络传输的电压，i1为流过发射线圈的电流，i4为流过接收线圈的电流，i2,i3分别为流过中继线圈一的电流和流过中继线圈二的电流，li为第i个线圈的自感，i＝1,2,3,4，ci为对应的补偿电容的容值，i＝1,2,3,4，m
mn
为第m个线圈与第n个线圈之间的互感，r
l
为负载，ω为系统的工作角频率；
[0013]
对式(1)求解得出i1与i4[0014][0015][0016]
其中
[0017][0018]
式中，p与q分别为中间变量一与中间变量二；
[0019]
系统跨导增益g表示为
[0020][0021]
系统输入阻抗z
in
表示为
[0022][0023]
由式(6)得出，中间变量p＝0时，跨导增益g化简为
[0024][0025]
由式(8)得出，此时跨导增益g与负载大小无关，为恒定值；
[0026]
在p＝0条件下，根据式(7)可得，当
[0027][0028]
时，系统输入阻抗为
[0029][0030]
此时系统输入阻抗虚部为0；
[0031]
因此系统实现zpa条件下恒流输出的条件为
[0032][0033]
由式(2)、(5)、(8)得出系统此时的电流增益与负载r
l
无关，且与电容c1、c3、c4有关，由式(2)、(5)、(10)得出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0034]
为了方便计算令中继线圈一谐振，即令z2＝0，与式(8)、式(10)联立得到方程
[0035][0036]
对式(11)求解得出
[0037][0038]
联立式(2)与式(12)得出
[0039][0040]
其中
[0041][0042]
式中，s1,s2分别为中间变量三和中间变量四；
[0043]
此时将激励频率设置为fc，下标c表示恒流模式下的参数；
[0044]
其中
[0045]
fc＝2πωcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0046]
即将ωc＝ω带入得
[0047][0048]
其中
[0049][0050]
式中，s
1c
,s
2c
分别为中间变量五和中间变量六；
[0051]
由此可得，当系统在fc频率下工作，且电容满足式(16)时，能够实现满足零相角条件的恒流充电；
[0052]
步骤二：在充电初期为了避免过流引起电池损坏使用恒流充电模式，此时电压由于电池等效电阻的升高而持续上升，当电池等效电阻升高一定值时由于过压保护，充电模式由恒流充电转化为恒压充电，转化的临界点电阻值为切换电阻，该值由恒压充电的输出电压与恒流充电的输出电流的比值决定，可表示为
[0053][0054]
式中，r
p
为由恒流充电转化为恒压充电的切换电阻，u
out_p
为恒压充电模式下预设的输出电压，i
out_p
为恒流充电模式下预设的输出电流；
[0055]
步骤三：推导恒压模式下调谐电容的表达式
[0056]
系统电压增益e表示为
[0057][0058]
当q＝0时，电压增益e可化简为
[0059][0060]
由式(20)得出，此时电压增益e与负载大小无关，为恒定值；
[0061]
在q＝0条件下，根据式(7)可得，当
[0062][0063]
时，系统输入阻抗为
[0064][0065]
此时输入阻抗虚部为0；
[0066]
因此系统实现zpa条件下恒流输出的条件为
[0067][0068]
由式(2)、(5)、(20)得出系统此时的电压增益与负载r
l
无关，与电容c1、c2、c3有关，由式(2)、(5)、(22)得出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0069]
为了方便计算令发射线圈谐振，即z1＝0，与式(20)、式(23)联立得到方程
[0070][0071]
对式(24)求解得出
[0072][0073]
联立式(2)与式(25)得出
[0074][0075]
其中
[0076][0077]
式中，s3,s4分别为中间变量七和中间变量八；
[0078]
此时将激励频率调整为fv，下标v表示恒压模式下的参数；
[0079]
其中
[0080]
fv＝2πωvꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0081]
即将ωv＝ω带入式(25)得
[0082]
[0083]
其中
[0084][0085]
式中，s
3v
,s
4v
分别为中间变量九和中间变量十；
[0086]
由此得出，当系统在fv频率下工作，且电容满足式(28)时，能够实现满足零相角条件的恒压充电；
[0087]
步骤四：根据电容表达式推导出自感与互感的关系
[0088]
为了实现在仅改变系统工作频率的前提下将恒流充电切换为恒压充电，将式(16)与式(28)联立，得到方程
[0089][0090]
对式(30)求解得出
[0091][0092]
所设计的系统的四个线圈的自感的表达式由式(31)决定，提出的充电方案在充电初期采用恒流充电的模式，此时激励频率选用fc，在充电的过程中电池的等效电阻逐渐增大，电压逐渐升高，当电压达到切换电阻时，即电压升高到预设值时转换为恒压充电，此时激励频率选用fv，电池等效电阻继续增大，由于恒压时电压不变，因此电流逐渐减小，当电流减小到一定值时充电完成；当系统由恒流充电切换为恒压充电时，只需改变激励频率，无需改变系统的拓扑结构或电路原件，此外，当该系统仅作为恒流充电系统，需要不同的电流
增益时，能够根据式(16)，通过调整补偿电容的大小来进行调节，无需改变线圈的大小及位置；当仅作为恒压充电系统，需要不同的电压增益时，能够根据式(28)，通过调整补偿电容的大小来进行调节，同样无需改变线圈的大小及位置。
[0093]
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：本发明通过在两个不同频率点实现恒流和恒压充电，切换充电模式时，无需更改电路拓扑结构与电路原件参数，操作方便，成本低廉。此外，为了节省接收端空间，本发明利用的四线圈系统中将两个中继线圈设置在发射线圈的同轴同平面，接收端只放置一个接收线圈。在对锂电池进行充电时，在充电初期使用恒流模式，电压升高到预设值时转换为恒压模式，电流小于一定值时充电完成，其中恒流模式转换为恒压模式仅需要改变系统的工作频率即可，且每个工作状态都满足零相角(zero phase angle，zpa)条件。此外，此无线供电系统还可作为单独的恒压供电系统或恒流供电系统，作为单独的恒压供电系统或恒流供电系统时的电压增益与电流增益可由补偿电容调节，适用多种供电需求，解决了传统双频切换系统输出单一的缺陷。
附图说明
[0094]
图1为针对锂电池充电的无线供电系统电路图；
[0095]
图2为针对锂电池充电的无线供电系统电路图的简化等效电路；
[0096]
图3为针对锂电池充电的无线供电系统的的仿真结果，图3中(a)为逆变器输出相角，图3中(b)为输出电流，图3中(c)为输出电压，输入电压u1为60v，在89khz实现零相角恒流，电流增益为0.08，81.2khz实现零相角恒压，电压增益为1。
具体实施方式
[0097]
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
[0098]
本发明所提针对锂电池充电的无线供电系统的电路图如图1所示；针对锂电池充电的无线供电系统简化后的等效电路如图2所示。
[0099]
本发明所述无线供电系统包含直流电源、全桥逆变器、发射线圈、中继线圈一、中继线圈二、接收线圈、整流滤波电路和负载，其中发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈分别对应串联谐振电容一、谐振电容二、谐振电容三和谐振电容四，中继线圈一、中继线圈二及发射线圈同轴同平面设置，接收线圈与发射线圈同轴平行设置；
[0100]
所述无线供电系统的具体设计步骤如下：
[0101]
步骤一：在充电开始时采用恒流充电模式，推导出调谐电容的表达式
[0102]
针对四线圈结构列出对应的kvl方程，为了方便计算，忽略每个线圈的内阻
[0103][0104]
其中
[0105][0106]
式中，zi为第i个线圈的阻抗，其中i＝1,2,3,4且分别对应发射线圈、中继线圈一、中继线圈二和接收线圈，以下同上，忽略线圈自身内阻；z
mn
为第m个线圈与第n个线圈之间的互阻抗，m,n＝1,2,3,4，u
in
逆变器向耦合网络传输的电压，i1为流过发射线圈的电流，i4为流过接收线圈的电流，i2,i3分别为流过中继线圈一的电流和流过中继线圈二的电流，li为第i个线圈的自感，i＝1,2,3,4，ci为对应的补偿电容的容值，i＝1,2,3,4，m
mn
为第m个线圈与第n个线圈之间的互感，r
l
为负载，ω为系统的工作角频率；
[0107]
对式(1)求解得出i1与i4[0108][0109][0110]
其中
[0111][0112]
式中，p与q分别为中间变量一与中间变量二；
[0113]
系统跨导增益g表示为
[0114][0115]
系统输入阻抗z
in
表示为
[0116][0117]
由式(6)得出，中间变量p＝0时，跨导增益g化简为
[0118][0119]
由式(8)得出，此时跨导增益g与负载大小无关，为恒定值；
[0120]
在p＝0条件下，根据式(7)可得，当
[0121][0122]
时，系统输入阻抗为
[0123]
[0124]
此时系统输入阻抗虚部为0；
[0125]
因此系统实现zpa条件下恒流输出的条件为
[0126][0127]
由式(2)、(5)、(8)得出系统此时的电流增益与负载r
l
无关，且与电容c1、c3、c4有关，由式(2)、(5)、(10)得出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0128]
为了方便计算令中继线圈一谐振，即令z2＝0，与式(8)、式(10)联立得到方程
[0129][0130]
对式(11)求解得出
[0131][0132]
联立式(2)与式(12)得出
[0133][0134]
其中
[0135][0136]
式中，s1,s2分别为中间变量三和中间变量四；
[0137]
此时将激励频率设置为fc，下标c表示恒流模式下的参数；
[0138]
其中
[0139]
fc＝2πωcꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0140]
即将ωc＝ω带入得
[0141][0142]
其中
[0143][0144]
式中，s
1c
,s
2c
分别为中间变量五和中间变量六；
[0145]
由此可得，当系统在fc频率下工作，且电容满足式(16)时，能够实现满足零相角条件的恒流充电；
[0146]
步骤二：在充电初期为了避免过流引起电池损坏使用恒流充电模式，此时电压由于电池等效电阻的升高而持续上升，当电池等效电阻升高一定值时由于过压保护，充电模式由恒流充电转化为恒压充电，转化的临界点电阻值为切换电阻，该值由恒压充电的输出电压与恒流充电的输出电流的比值决定，可表示为
[0147][0148]
式中，r
p
为由恒流充电转化为恒压充电的切换电阻，u
out_p
为恒压充电模式下预设的输出电压，i
out_p
为恒流充电模式下预设的输出电流；
[0149]
步骤三：推导恒压模式下调谐电容的表达式
[0150]
系统电压增益e表示为
[0151][0152]
当q＝0时，电压增益e可化简为
[0153][0154]
由式(20)得出，此时电压增益e与负载大小无关，为恒定值；
[0155]
在q＝0条件下，根据式(7)可得，当
[0156][0157]
时，系统输入阻抗为
[0158][0159]
此时输入阻抗虚部为0；
[0160]
因此系统实现zpa条件下恒流输出的条件为
[0161]
[0162]
由式(2)、(5)、(20)得出系统此时的电压增益与负载r
l
无关，与电容c1、c2、c3有关，由式(2)、(5)、(22)得出此时输入阻抗为实数，满足零相角条件；
[0163]
为了方便计算令发射线圈谐振，即z1＝0，与式(20)、式(23)联立得到方程
[0164][0165]
对式(24)求解得出
[0166][0167]
联立式(2)与式(25)得出
[0168][0169]
其中
[0170][0171]
式中，s3,s4分别为中间变量七和中间变量八；
[0172]
此时将激励频率调整为fv，下标v表示恒压模式下的参数；
[0173]
其中
[0174]
fv＝2πωvꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0175]
即将ωv＝ω带入式(25)得
[0176][0177]
其中
[0178][0179]
式中，s
3v
,s
4v
分别为中间变量九和中间变量十；
[0180]
由此得出，当系统在fv频率下工作，且电容满足式(28)时，能够实现满足零相角条件的恒压充电；
[0181]
步骤四：根据电容表达式推导出自感与互感的关系
[0182]
为了实现在仅改变系统工作频率的前提下将恒流充电切换为恒压充电，将式(16)与式(28)联立，得到方程
[0183][0184]
对式(30)求解得出
[0185][0186]
所设计的系统的四个线圈的自感的表达式由式(31)决定，提出的充电方案在充电初期采用恒流充电的模式，此时激励频率选用fc，在充电的过程中电池的等效电阻逐渐增大，电压逐渐升高，当电压达到切换电阻时，即电压升高到预设值时转换为恒压充电，此时激励频率选用fv，电池等效电阻继续增大，由于恒压时电压不变，因此电流逐渐减小，当电流减小到一定值时充电完成；当系统由恒流充电切换为恒压充电时，只需改变激励频率，无需改变系统的拓扑结构或电路原件，此外，当该系统仅作为恒流充电系统，需要不同的电流增益时，能够根据式(16)，通过调整补偿电容的大小来进行调节，无需改变线圈的大小及位
置；当仅作为恒压充电系统，需要不同的电压增益时，能够根据式(28)，通过调整补偿电容的大小来进行调节，同样无需改变线圈的大小及位置。
[0187]
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。