一种针对锂电池充电的无线供电系统设计方法

技术特征：
1.一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；所述无线供电系统的具体设计步骤如下：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其中式中，z
i
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，l
i
为第i个线圈的自感，i＝1,2,3,4，c
i
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；对式(1)求解得出i1与i
44
其中式中，p与q分别为中间变量一与中间变量二；系统跨导增益g表示为
系统输入阻抗z
in
表示为由式(6)得出，中间变量p＝0时，跨导增益g化简为由式(8)得出，此时跨导增益g与负载大小无关，为恒定值；在p＝0条件下，根据式(7)可得，当时，系统输入阻抗为此时系统输入阻抗虚部为0；因此系统实现zpa条件下恒流输出的条件为由式(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；为了方便计算令中继线圈一谐振，即令z2＝0，与式(8)、式(10)联立得到方程对式(11)求解得出联立式(2)与式(12)得出
其中式中，s1,s2分别为中间变量三和中间变量四；此时将激励频率设置为f
c
，下标c表示恒流模式下的参数；其中f
c
＝2πω
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)即将ω
c
＝ω带入得其中式中，s
1c
,s
2c
分别为中间变量五和中间变量六；由此可得，当系统在f
c
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；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，表示为式中，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；步骤三：推导恒压模式下调谐电容的表达式系统电压增益e表示为
当q＝0时，电压增益e可化简为由式(20)得出，此时电压增益e与负载大小无关，为恒定值；在q＝0条件下，根据式(7)可得，当时，系统输入阻抗为此时输入阻抗虚部为0；因此系统实现zpa条件下恒流输出的条件为由式(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；为了方便计算令发射线圈谐振，即z1＝0，与式(20)、式(23)联立得到方程对式(24)求解得出联立式(2)与式(25)得出其中
式中，s3,s4分别为中间变量七和中间变量八；此时将激励频率调整为fv，下标v表示恒压模式下的参数；其中fv＝2πωvꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)即将ωv＝ω带入式(25)得其中式中，s
3v
,s
4v
分别为中间变量九和中间变量十；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；步骤四：根据电容表达式推导出自感与互感的关系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，得到方程对式(30)求解得出
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f
c
，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。

技术总结
本发明公开了一种针对锂电池充电的无线供电系统设计方法，由于锂电池在充电过程中，其等效电阻为变化值，故锂电池的普遍充电方式为先恒流后恒压的模式。该方法利用一种四线圈串联补偿系统，可以对锂电池进行先恒流后恒压的充电。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。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。接收线圈。接收线圈。


技术研发人员：王萌 殷仁亮 于新元 杨林 施艳艳 宋光成
受保护的技术使用者：河南师范大学
技术研发日：2022.03.29
技术公布日：2022/7/12