[发明专利]一种对称拓扑结构的大功率双稳态自振荡电池直驱无线充电系统及其充电电流计算方法

说明书

本发明公开了一种对称拓扑结构的大功率双稳态自振荡电池直驱无线充电系统及其充电电流计算方法，包括原边电路，原边电路包括：原边切换器，用于对输入的直流电进行逆变并输出至耦合器的原边耦合线圈；原边电流传感器，用于检测耦合器的原边电路的电流值；原边控制电路，用于对原边电流传感器输出的检测值和设定的原边门限阈值进行比较，通过比较结果逻辑控制原边切换器，实现原边切换器的输入电流逆变以及输出瞬态电流峰值的控制。原边控制电路采用逻辑控制，在原边电流传感器输出的原边电路瞬态电流值超过原边门限阈值时，控制原边切换器切换另一路开关管导通，实现原边切换器输出电流极性和峰值的控制，实现了大功率无线充电。

技术领域

本发明属于大功率可直驱电池的无线充电技术领域，涉及一种对称拓扑结构的大功率双稳态自振荡电池直驱无线充电系统及其充电电流计算方法。

背景技术

无线功率传输技术无需连接器即可实现将电力从一种电气设备传输到另一种电气设备，因此具有电气和机械隔离、在恶劣环境中安全运行和全自动充电的优点，逐渐在大功率电池驱动的电气设备和电气系统得到广泛的应用，比如电动无人机、电动汽车等。

目前，电池无线充电系统主要基于磁感应耦合技术，由于电路回路中存在耦合器的等效电感(自感和漏感)，因此回路电流的响应过程(极性切换时)必然是先进入瞬态响应再收敛至稳态响应，传统的无线充电系统是建立在回路电流处于稳态的基础上进行研究，目的是在稳态状态下调整电压极性变化频率实现耦合传输，电路拓扑结构广泛采用恒流-恒压(CC-CV)方法。

以输入电压为直流电压为例，传统的无线充电电路拓扑结构包含DC/AC转换器、耦合器、整流器和充电管理四个电路环节。其工作原理是先输出恒定充电电流，直到电池的端电压上升到指定值，然后模式切换到恒压充电，直到电池充满电。由于每个转换环节都存在发热损耗，并且各个环节为串联结构，导致充电系统总效率降低。假设每个环节效率为0.90，总效率为0.64，因此传统无线充电拓扑结构无法用于大功率充电领域中。在大型电气设备设计中，比如电动汽车、电动公交车、电动垂直起降无人机(eVTOL)、大型电动船/艇等，过低的无线充电转换效率需要很高的输入功率和很长充电时间，从而限制该类电气设备的应用。

目前，许多学者对如何提高系统充电效率的问题展开研究，提出的解决方案分为两类：一类是通过使用调节器来控制电路的输出频率，提高耦合器转化效率；另一类是对传统无线充电电路的拓扑结构进行优化，从而改善系统效率。

在提高耦合器转化效率方面，文献(“A 3-kW wireless power transfer systemfor sightseeing car supercapacitor charge,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.32,no.5,pp.3301–3316,May 2017)使用调频器来控制电路的输出功率，提高耦合器转化效率；文献(”A wireless charging system applying phase-shift and amplitude controlto maximize efficiency and extractable power,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.30,no.11,pp.6338–6348,Nov.2015)通过电流反馈的方式，调整原边输出功率，实现对系统输出功率的准确控制，从而降低系统的总体损耗。但是该方案需要调节器串联在系统中，导致调节器次级侧产生热量。同时，此类方案需要额外设计副边与原边的通信电路才能实现控制回路，增加了副边的电路规模，需要电子设备设计更大的结构空间安装副边，给无人机等航空/航天类设备的设计带来空难。