1.本发明涉及无线充电技术领域，尤其是指一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统。
背景技术：2.无线充电技术具有便捷、安全、可靠的特点，在医疗、便携通信、交通运输等方面具有广阔的应用前景。在无线充电的众多应用领域中，电动汽车无线充电无疑是最普遍的应用场景之一，同时无线充电技术可以实现地面到汽车底盘间较远距离、较大功率电能的无线传输，是解决电动汽车续航里程不足和充电不便等问题的理想方案。当前电动汽车动力电池采用的主流充电方式为恒流恒压充电，这要求无线充电系统具备分阶段恒流恒压输出的能力，并且能够在恒流和恒压模式之间进行快速平稳的切换。然而，补偿网络的结构和参数对无线充电系统的输出具有重要影响，当补偿网络确定时系统也随之保持单一的输出特性，无法满足电动汽车动力电池恒流恒压充电的需求，现有技术中常通过切换不同类型的补偿拓扑结构或在固定的补偿拓扑结构下通过投切补偿元件改变其补偿参数、增加开关电容、前级或后级变换电路、恒流恒压输出自切换电路等方式满足无线充电的恒流恒压充电需求。但是对于从系统结构入手的方法，拓扑切换或元件投切需要增加冗余的补偿元件，而发射端的投切操作则需要原副边的通信，切换过程还可能会造成电压电流的不平稳，且若额外增加一级变换电路会降低系统整体效率，并增加系统的控制复杂度。
技术实现要素：3.本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统。
4.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
5.一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，包括发射端和接收端，发射端包括高频交流电源、发射端补偿网络和发射线圈，所述高频交流电源的输出端口与发射端补偿网络的输入端口连接，所述发射线圈与发射端补偿网络的输出端口连接，所述接收端包括接收线圈、接收端补偿网络、高频整流滤波器和负载，所述接收线圈与接收端补偿网络的输入端口连接，所述接收端补偿网络的输出端口与高频整流滤波器的输入端口连接，所述高频整流滤波器的输出端口与负载连接，所述发射端补偿网络和接收端补偿网络均为串联补偿。
6.进一步的，所述高频交流电源和发射端补偿网络之间还连接有发射端控制模块，所述发射端控制模块包括发射端电压检测单元、发射端电流检测单元、输入阻抗计算单元和发射端dsp(digital signal process，数字信号处理)芯片，所述发射端电流检测单元串联在高频交流电源的输出端口和发射端补偿网络的输入端口之间，所述发射端电压检测单元并联在高频交流电源的输出端口间，所述发射端电压检测单元和发射端电流检测单元还同时与输入阻抗计算单元连接，所述输入阻抗计算单元与发射端dsp芯片连接，所述发射端
dsp芯片与高频交流电源的控制端口连接，所述发射端电压检测单元用于检测高频交流电源输出的电压值，所述发射端电流检测单元用于检测高频交流电源输出的电流值，所述输入阻抗计算单元用于根据检测到的电压值和电流值计算输入阻抗的相角，所述发射端dsp芯片用于根据计算得到的输入阻抗的相角控制调节高频交流电源的输出电压值。
7.进一步的，所述发射端dsp芯片和高频交流电源之间还连接有发射端驱动电路，所述发射端dsp芯片通过发射端驱动电路调节高频交流电源的输出电压。
8.进一步的，所述接收端补偿网络包括电容器c
s1
、电容器c
s2
和双向开关s，所述电容器c
s1
的一端与接收线圈连接，另一端与电容器c
s2
的一端连接，所述电容器c
s2
的另一端与高频整流滤波器连接，所述双向开关s并联连接在电容器c
s2
上。
9.进一步的，所述负载和接收端补偿网络之间还连接有接收端控制模块，所述接收端控制模块包括接收端电压检测单元、接收端电流检测单元、比较单元和接收端dsp芯片，所述接收端电压检测单元并联在高频整流滤波器的输出端口间，所述接收端电流检测单元串联在高频整流滤波器的输出端口和负载之间，所述接收端电压检测单元和接收端电流检测单元还同时与比较单元连接，所述比较单元与接收端dsp芯片连接，所述接收端dsp芯片与接收端补偿网络的控制端口连接，所述接收端电压检测单元用于检测提供给负载的充电电压值，所述接收端电流检测单元用于检测提供给负载的充电电流值，所述比较单元用于将检测到的充电电流值和充电电压值分别与负载充电需求对应电流值以及电压值进行比较，所述接收端dsp芯片用于根据比较单元的对比结果控制调节接收端补偿网络内双向开关s和电容器c
s2
的等效容值，以维持负载的充电电流和电压满足充电需求。
10.进一步的，所述接收端dsp芯片和接收端补偿网络之间还连接有接收端驱动电路，所述接收端dsp芯片通过接收端驱动电路控制调节接收端补偿网络。
11.进一步的，所述发射端补偿网络包括电容器c
p
。
12.进一步的，所述电容器c
p
、电容器c
s1
和电容器c
s2
的电容值的确定公式为：
[0013][0014]
其中：c
p
为发射端补偿网络内电容器的电容值，c
s1
、c
s2
为接收端补偿网络内电容器的电容值，ω为高频交流电源的角频率，f为高频交流电源的开关频率，l
p
为发射线圈的自感，ls为接收线圈的自感。
[0015]
进一步的，所述双向开关s包括两个功率开关管，所述两个功率开关管间反向串联。
[0016]
本发明的有益效果是：
[0017]
能够根据负载的充电电流、电压需求来控制接收端补偿网络，从而保证负载的充电安全。且能够通过接收端补偿网络的调节将负载的充电需求反馈至发射端，从而调整高
频交流电源的输出，使得高频交流电源能够根据负载需求进行输出调整，实现分段恒流恒压输出，以及恒流模式和恒压模式之间的快速平稳切换。不需要对发射线圈和接收线圈间的互感进行估计，相较于传统的发射端和接收端之间通过无线通信实现闭环控制的方式，直接通过系统特性即可实现需求反馈，能够降低无线通信对于应用场景的限制，大大提高了无线充电系统在不同场景中的可行性。
附图说明
[0018]
图1是本发明的一种无线充电系统的电路结构示意框图；
[0019]
图2是本发明实施例的一种无线充电系统的等效电路图；
[0020]
图3是本发明实施例的一种接收端补偿网络结构图；
[0021]
图4是本发明实施例的一种接收端补偿网络的工作原理示意图；
[0022]
其中：1、高频交流电源，2、发射端补偿网络，3、发射线圈，4、接收线圈，5、接收端补偿网络，6、高频整流滤波器，7、负载，8、发射端控制模块，81、发射端电压检测单元，82、发射端电流检测单元，83、输入阻抗计算单元，84、发射端dsp芯片，85、发射端驱动电路，9、接收端控制模块，91、接收端电压检测单元，92、接收端电流检测单元，93、比较单元，94、接收端dsp芯片，95、接收端驱动电路。
具体实施方式
[0023]
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
[0024]
实施例：
[0025]
一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，如图1所示，包括发射端和接收端，发射端包括高频交流电源1、发射端补偿网络2和发射线圈3，所述高频交流电源1的输出端口与发射端补偿网络2的输入端口连接，所述发射线圈3与发射端补偿网络2的输出端口连接，所述接收端包括接收线圈4、接收端补偿网络5、高频整流滤波器6和负载7，所述接收线圈4与接收端补偿网络5的输入端口连接，所述接收端补偿网络5的输出端口与高频整流滤波器6的输入端口连接，所述高频整流滤波器6的输出端口与负载7连接，所述发射端补偿网络2和接收端补偿网络5均为串联补偿。
[0026]
所述高频交流电源1和发射端补偿网络2之间还连接有发射端控制模块8，所述发射端控制模块8包括发射端电压检测单元81、发射端电流检测单元82、输入阻抗计算单元83和发射端dsp芯片84，所述发射端电流检测单元82串联在高频交流电源1的输出端口和发射端补偿网络2的输入端口之间，所述发射端电压检测单元81并联在高频交流电源1的输出端口间，所述发射端电压检测单元81和发射端电流检测单元82还同时与输入阻抗计算单元83连接，所述输入阻抗计算单元83与发射端dsp芯片84连接，所述发射端dsp芯片84与高频交流电源1的控制端口连接，所述发射端电压检测单元81用于检测高频交流电源1输出的电压值，所述发射端电流检测单元82用于检测高频交流电源1输出的电流值，所述输入阻抗计算单元83用于根据检测到的电压值和电流值计算输入阻抗的相角，所述发射端dsp芯片84用于根据计算得到的输入阻抗的相角控制调节高频交流电源1的输出电压值。
[0027]
所述发射端dsp芯片84和高频交流电源1之间还连接有发射端驱动电路85，所述发射端dsp芯片84通过发射端驱动电路85调节高频交流电源1的输出电压。
[0028]
所述接收端补偿网络5包括电容器c
s1
、电容器c
s2
和双向开关s，所述电容器c
s1
的一端与接收线圈4连接，另一端与电容器c
s2
的一端连接，所述电容器c
s2
的另一端与高频整流滤波器6连接，所述双向开关s并联连接在电容器c
s2
上。
[0029]
所述负载7和接收端补偿网络5之间还连接有接收端控制模块9，所述接收端控制模块9包括接收端电压检测单元91、接收端电流检测单元92、比较单元93、接收端dsp芯片94和接收端驱动电路95，所述接收端电压检测单元91并联在高频整流滤波器6的输出端口间，所述接收端电流检测单元92串联在高频整流滤波器6的输出端口和负载7之间，所述接收端电压检测单元91和接收端电流检测单元92还同时与比较单元93连接，所述比较单元93与接收端dsp芯片94连接，所述接收端dsp芯片94与接收端驱动电路95连接，所述接收端驱动电路95与接收端补偿网络5的控制端口连接，所述接收端电压检测单元91用于检测提供给负载7的充电电压值，所述接收端电流检测单元92用于检测提供给负载7的充电电流值，所述比较单元93用于将检测到的充电电流值和充电电压值分别与负载7充电需求对应电流值以及电压值进行比较，所述接收端dsp芯片94用于根据比较单元93的对比结果，通过接收端驱动电路95控制接收端补偿网络5调节双向开关s和电容器c
s2
的等效容值，以维持负载7的充电电流和电压满足充电需求。此处比较单元93还与负载7连接，从负载7处获取充电需求，并从充电需求中获取对比所需的电流值和电压值。
[0030]
所述发射端补偿网络2包括电容器c
p
。
[0031]
所述电容器c
p
、电容器c
s1
和电容器c
s2
的电容值的确定公式为：
[0032][0033]
其中：c
p
为发射端补偿网络内电容器的电容值，c
s1
、c
s2
为接收端补偿网络内电容器的电容值，ω为高频交流电源的角频率，f为高频交流电源的开关频率，l
p
为发射线圈的自感，ls为接收线圈的自感。
[0034]
所述双向开关s包括两个功率开关管，所述两个功率开关管间反向串联。
[0035]
通过控制双向开关s的开通和关断，能够调节加载在负载7上的充电电压和充电电流。
[0036]
在无线充电开始时，首先实时检测高频交流电源1输出的和然后根据检测到的和计算无线充电系统的输入阻抗的相角θ
in
，记录相角θ
in
最后小于预设阈值θ0时，高频交流电源1的输出电压u
p’，在相角θ
in
小于预设阈值θ0时，无线充电系统的整体输入阻抗处于纯阻抗状态。为了保证充电电流ib和充电电压ub能够满足负载7充电需求中对应的充电电流i
p
和充电电压u
p
，通过接收端控制模块9分别检测ib和ub，然后将ib与充电电流需求值ir进行比较，并调节接收端补偿网络5中双向开关s的开断，即调节接收端补偿网络5中sc的
等效容值，以保证充电电流ib和充电电压ub能够与充电电流i
p
和充电电压u
p
保持一致，同时保证负载7充电的安全，防止充电电流ib或充电电压ub过大，造成负载7故障。且在调节接收端补偿网络5的过程中，整体输入阻抗会发生变化，发射端控制模块8能够通过输入阻抗的变化获取接收端的充电状况，并根据输入阻抗的变化来调节发射端高频交流电源1中功率开关管开通和关断，从而调节高频交流电源1的输出电压，使得负载7的充电能够维持在符合充电需求的状态之中。
[0037]
本实施例的抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统的等效电路图如图2所示，在等效电路图的分析中不考虑接收端补偿网络中功率开关的开关状态，以cs代表接收端补偿网络的等效电容参数，以c
p
代表发射端补偿网络2内电容器的等效电容参数，将高频整流滤波器6和负载7等效为电阻r
eq
，流过电阻r
eq
的电流和电阻r
eq
两端的电压分别用和表示，将高频交流电源1的输出电压表示为将高频交流电源1的输出电流表示为同时将发射端线路阻抗等效为电阻r
p
。由图2可知，当高频交流电源1的输出电压恒定时，接收端输出即为恒流特性，而当高频交流电源1的输出电流恒定时，接收端输出即为恒压特性，由此可知，接收端控制模块9根据充电需求对接收端控制网络进行调节，在调节过程中也能够将充电需求反馈至发射端，从而实现充电模式的切换。仅通过无线充电系统的输入阻抗即可实现充电需求的反馈，不需要另外添加通信设备，使得无线充电系统能够适用于更多的使用场景。
[0038]
接收端补偿网络5的结构图如图3所示，通过改变功率开关管的占空比来控制电容c
s2
的充放电，从而控制接收端补偿网络5的等效电容值。
[0039]
基于图3所示的接收端网络结构，可知接收端补偿网络5中功率开关管和电容的工作原理，如图4所示，通过对两个功率开关管施加如图4中所示的pwm触发脉冲，能够保证电容c
s2
周期性的充放电平衡，两脉冲的中间位置为电流波形的过零点。对电容以及对应电压波形进行傅里叶分解后获取基波波形，根据基波波形可知等效电容值c
s2
'和电容c
s2
的关系为：
[0040][0041]
其中d为两个功率开关管的占空比。
[0042]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
技术特征：1.一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，包括发射端和接收端，发射端包括高频交流电源、发射端补偿网络和发射线圈，所述高频交流电源的输出端口与发射端补偿网络的输入端口连接，所述发射线圈与发射端补偿网络的输出端口连接，所述接收端包括接收线圈、接收端补偿网络、高频整流滤波器和负载，所述接收线圈与接收端补偿网络的输入端口连接，所述接收端补偿网络的输出端口与高频整流滤波器的输入端口连接，所述高频整流滤波器的输出端口与负载连接，所述发射端补偿网络和接收端补偿网络均为串联补偿。2.根据权利要求1所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述高频交流电源和发射端补偿网络之间还连接有发射端控制模块，所述发射端控制模块包括发射端电压检测单元、发射端电流检测单元、输入阻抗计算单元和发射端dsp芯片，所述发射端电流检测单元串联在高频交流电源的输出端口和发射端补偿网络的输入端口之间，所述发射端电压检测单元并联在高频交流电源的输出端口间，所述发射端电压检测单元和发射端电流检测单元还同时与输入阻抗计算单元连接，所述输入阻抗计算单元与发射端dsp芯片连接，所述发射端dsp芯片与高频交流电源的控制端口连接，所述发射端电压检测单元用于检测高频交流电源输出的电压值，所述发射端电流检测单元用于检测高频交流电源输出的电流值，所述输入阻抗计算单元用于根据检测到的电压值和电流值计算输入阻抗的相角，所述发射端dsp芯片用于根据计算得到的输入阻抗的相角控制调节高频交流电源的输出电压值。3.根据权利要求2所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述发射端dsp芯片和高频交流电源之间还连接有发射端驱动电路，所述发射端dsp芯片通过发射端驱动电路调节高频交流电源的输出电压。4.根据权利要求1所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述接收端补偿网络包括电容器c
s1
、电容器c
s2
和双向开关s，所述电容器c
s1
的一端与接收线圈连接，另一端与电容器c
s2
的一端连接，所述电容器c
s2
的另一端与高频整流滤波器连接，所述双向开关s并联连接在电容器c
s2
上。5.根据权利要求1所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述负载和接收端补偿网络之间还连接有接收端控制模块，所述接收端控制模块包括接收端电压检测单元、接收端电流检测单元、比较单元和接收端dsp芯片，所述接收端电压检测单元并联在高频整流滤波器的输出端口间，所述接收端电流检测单元串联在高频整流滤波器的输出端口和负载之间，所述接收端电压检测单元和接收端电流检测单元还同时与比较单元连接，所述比较单元与接收端dsp芯片连接，所述接收端dsp芯片与接收端补偿网络的控制端口连接，所述接收端电压检测单元用于检测提供给负载的充电电压值，所述接收端电流检测单元用于检测提供给负载的充电电流值，所述比较单元用于将检测到的充电电流值和充电电压值分别与负载充电需求对应电流值以及电压值进行比较，所述接收端dsp芯片用于根据比较单元的对比结果控制调节接收端补偿网络内双向开关s和电容器c
s2
的等效容值，以维持负载的充电电流和电压满足充电需求。6.根据权利要求5所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述接收端dsp芯片和接收端补偿网络之间还连接有接收端驱动电路，所述接收端dsp芯片通过接收端驱动电路控制调节接收端补偿网络。
7.根据权利要求1所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述发射端补偿网络包括电容器c
p
。8.根据权利要求4或7所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述电容器c
p
、电容器c
s1
和电容器c
s2
的电容值的确定公式为：其中：c
p
为发射端补偿网络内电容器的电容值，c
s1
、c
s2
为接收端补偿网络内电容器的电容值，ω为高频交流电源的角频率，f为高频交流电源的开关频率，l
p
为发射线圈的自感，l
s
为接收线圈的自感。9.根据权利要求4所述的一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，其特征在于，所述双向开关s包括两个功率开关管，所述两个功率开关管间反向串联。
技术总结本发明提供了一种抗偏移的分阶段恒流恒压输出无线充电系统，所述无线充电系统包括发射端和接收端，发射端包括高频交流电源、发射端补偿网络和发射线圈，高频交流电源的输出端口与发射端补偿网络的输入端口连接，发射线圈与发射端补偿网络的输出端口连接，接收端包括接收线圈、接收端补偿网络、高频整流滤波器和负载，接收线圈与接收端补偿网络的输入端口连接，接收端补偿网络的输出端口与高频整流滤波器的输入端口连接，高频整流滤波器的输出端口与负载连接，发射端补偿网络和接收端补偿网络均为串联补偿。本发明能够通过充电需求实时调节充电电压和电流，实现分阶段恒流恒压输出，以及恒流模式和恒压模式之间的快速平稳切换。以及恒流模式和恒压模式之间的快速平稳切换。以及恒流模式和恒压模式之间的快速平稳切换。
技术研发人员：夏霖 洪潇 张伟峰 郭大琦 张杨 金正军 龚成尧 武宽 马笛 王丰 方轶 吴琼 申郦 李莹莹 茅奕晟
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司杭州供电公司
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2022/7/5
