[发明专利]一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统

说明书

本发明公开了一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，属于无线充电领域，本发明在发送部分或者接收部分增添开关切换部分，使系统在具有恒压和恒流两种特性的拓扑之间切换，适用于对电池进行充电，开关切换部分仅含有一个交流开关和两个附加电感，元件数量少，在恒压和恒流两种工作模式下系统的等效输入阻抗都为纯阻性，即高频逆变器的开关器件在恒压和恒流两种模式下都能工作在零相位开关模式，这能有效地减小系统中的无功功率损耗。

技术领域

本发明涉及无线充电领域，具体涉及一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统。

背景技术

感应式无线电能传输技术是一种以磁场为介质实现非接触供电的技术，其具有灵活、安全、可靠供电的优点，且能避免传统接触供电系统中可能存在的火花、漏电等安全隐患。目前，该技术已成功被应用于内置式电子医疗设备、便携式电子产品和电动汽车非接触供电等领域，发展潜力巨大。

为了实现电池安全充电，延长电池的使用寿命和充放电次数，通常主要包括恒流和恒压两个充电阶段。即在充电初期采用恒流模式充电，电池电压迅速增加；当电池电压达到充电设定电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小直至达到充电截止电流，充电完成。也即对电池进行充电的感应式无线电能传输系统应能提供恒定的电流和电压。

现有的无线电能传输系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入发射线圈，产生高频交变磁场；接收线圈在发射线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。由于负载(电池)的等效阻抗是变动的，所以在一定输入电压下系统难以输出负载所需的恒定电流或电压。为解决该问题，通常的方法有三种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器调节输入电压或者采用移相控制，或者在接收线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺陷是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。二、采用变频控制，系统工作在两个不同频率点实现恒流和恒压输出，但是该方法会出现频率分叉现象，造成系统工作不稳定。三、在电路系统中通过两个交流开关接入或断开电容或电感元件，以实现两种不同特性的电路转换。

目前，使用交流开关切换充电模式的方法有三种：一、使用一个交流开关对电路进行切换，该方法只能在一种充电模式下实现零相位开关，另一种充电模式会存在较大的系统无功，影响系统效率。二、使用两个交流开关同时对电路进行切换，该方法使用的开关元件较多。三、使用一个交流开关切入或断开一个包含第三线圈的回路，该方法需要额外使用一个能量传输线圈。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，该系统适用于对电池进行充电，能在恒压供电和恒流供电两种工作模式下稳定地工作，解决了目前的无线充电系统中采用两个交流开关切换充电模式系统无功大的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于拓扑切换的恒流恒压无线充电系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分包括依次连接的直流电源(E₁)、高频逆变器(H₁)、发射端开关切换部分(I)和发射线圈(LP₁)，所述接收部分包括依次连接的接收线圈(L_S1)、接收端补偿电容(C_S1)、整流滤波电路(R1)和电池负载(I)，所述发射端开关切换部分(I)包括发射端补偿电容(C_P1)、第一附加电感(L₁₁)、第二附加电感(L₂₁)和切换开关(S₁)，具体连接关系如下：