本發(fā)明屬于無線電能傳輸?shù)?，涉及諧振式無線充電系統(tǒng)及其控制技術，具體是一種雙頻兼容的恒流恒壓無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)調諧方法，通過在系統(tǒng)中構建混合諧振補償網(wǎng)絡以及其參數(shù)調諧，無需改變無線充電系統(tǒng)固有參數(shù)以及使用復雜控制和附加器件，即可實現(xiàn)高效穩(wěn)定的恒流恒壓無線充電以及輸入阻抗零相位角運行。

背景技術：

1、電池的充電方式分為有線充電和無線充電兩種，其中，有線充電方式利用金屬導線進行接觸式能量傳輸，而無線充電利用電磁場進行非接觸式能量傳輸。與有線充電方式相比，無線充電方式具有安全可靠、供電靈活、無機械磨損、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，在電動交通工具、無人巡檢設備、醫(yī)療植入設備、便攜式電子裝置等不同場景中得到了廣泛的應用。

2、在無線充電過程中，單恒流和單恒壓充電是兩種常規(guī)的充電策略。其中，單恒流充電具有充電電流恒定的特點，充電過程中電池電壓隨著充電時長持續(xù)增加。單恒流充電方式能夠在充電初期快速充電，但當充電電壓接近電池額定電壓時，容易出現(xiàn)過電壓問題，從而威脅電池安全，影響電池壽命。而單恒壓充電具有充電電壓恒定的特點，充電過程中電池電流隨著充電時長逐步減小。單恒壓充電方式通過保持電池電壓恒定來避免過電壓問題，但充電電流的逐漸降低會導致充電速度減慢，從而影響整體充電效率。因此，將兩種常規(guī)方式進行結合，通過恒流恒壓混合無線充電方式可以實現(xiàn)高效快速、安全穩(wěn)定的電池充電。

3、補償網(wǎng)絡是無線充電系統(tǒng)中的重要組成部分，其在很大程度上決定了系統(tǒng)的輸出特性和效率。常見的補償網(wǎng)絡包括四種基本的低階網(wǎng)絡（s-s、s-p、p-s、p-p）以及一些高階補償網(wǎng)絡（s-sp、ps-s、s-clc、lcc-s、lcc-p、ds-lcc）。上述諧振網(wǎng)絡在其相應的諧振條件下工作時，通常具有兩方面特性，一是具有輸入阻抗零相位角運行的特性，該特性有助于補償松耦合變壓器的漏感，減小電路的無功負荷，提高電能傳輸能力；二是具有恒壓或恒流輸出的特性，該特性有助于實現(xiàn)常規(guī)的單恒壓或單恒流無線充電，但無法實現(xiàn)恒流恒壓混合無線充電。對于無線充電系統(tǒng)來說，同時實現(xiàn)恒流恒壓混合無線充電以及輸入阻抗零相位角運行是至關重要的。

4、例如，現(xiàn)有研究提出了一種基于dc/dc變換器的無線充電系統(tǒng)恒流恒壓充電方法，通過在無線充電系統(tǒng)后級添加dc/dc變換器對充電電流和電壓進行調節(jié)，在不影響系統(tǒng)零相位角運行的前提下實現(xiàn)恒流恒壓無線充電。然而，額外的dc/dc變換器會大大增加系統(tǒng)的功率損耗和制造成本。

5、中國發(fā)明專利cn113872340b公開了一種恒壓恒流的無線充電方法及裝置，該方法在充電過程中通過動態(tài)調節(jié)發(fā)射端逆變器的移相角和開關頻率實現(xiàn)對輸出電壓電流以及系統(tǒng)輸入阻抗角的動態(tài)調節(jié)，從而同時滿足恒流恒壓混合無線充電以及輸入阻抗零相位角運行的條件。然而，該方法需要同時動態(tài)調節(jié)逆變器移相角和開關頻率兩個控制量，動態(tài)響應時間較長，控制方法非常復雜。

6、中國發(fā)明專利cn110492621b公開了一種基于發(fā)射端ts/fs變結構補償網(wǎng)絡的恒壓/恒流型無線充電系統(tǒng)。該方法通過在系統(tǒng)發(fā)射端補償網(wǎng)絡中增加多個交流開關和諧振補償器件，利用多個交流開關的切換可以變換補償網(wǎng)絡的結構，無需較長的動態(tài)響應時間即可同時實現(xiàn)輸入阻抗零相位角運行以及恒流恒壓無線充電。然而，該方法下多個附加交流開關的切換依賴于精確的同步控制時間，控制復雜度依然較高。

7、目前，為了同時實現(xiàn)恒流恒壓混合無線充電以及輸入阻抗零相位角運行，通常的方法有兩種：一是在系統(tǒng)整流器后端加入dc/dc變換器，在不影響輸入側相位角的情況下可動態(tài)調節(jié)電壓電流，然而該方法增加了系統(tǒng)的體積和成本，降低了效率。二是通過增加額外的交流開關和諧振補償器件，或采用逆變器變頻移相控制來同步調節(jié)輸出電壓電流以及輸入側相位角，其缺陷是增加了系統(tǒng)的動態(tài)響應時間和控制復雜度。

8、綜上，現(xiàn)有無線充電技術在實現(xiàn)恒流恒壓混合充電及零相位角運行的過程中無法兼顧高效率、低成本、快速動態(tài)響應和寬范圍零相位角運行，難以滿足電池安全快充的需求。因此，如何在無需引入附加功率器件或復雜控制算法的前提下，簡潔有效地實現(xiàn)恒流恒壓充電功能與輸入阻抗零相位角運行的有機融合，是無線充電系統(tǒng)設計領域亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、（一）發(fā)明目的

2、針對現(xiàn)有恒流恒壓無線充電技術的上述缺陷和不足，本發(fā)明提供了一種雙頻兼容的恒流恒壓無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)調諧方法。該方案通過在系統(tǒng)中構建混合補償網(wǎng)絡以及其參數(shù)調諧，在不改變系統(tǒng)固有參數(shù)或使用復雜控制和附加器件的情況下，即可滿足系統(tǒng)在兩個不同頻率下的諧振運行條件，其中，系統(tǒng)以第一頻率運行時具有恒流輸出和輸入阻抗零相位角運行的特性，而以第二頻率運行時具有恒壓輸出和輸入阻抗零相位角運行的特性。在此基礎上，無需改變無線充電系統(tǒng)固有參數(shù)以及使用復雜控制和附加器件，僅通過對兩個諧振頻率的切換控制，即可實現(xiàn)恒流恒壓混合無線充電以及輸入阻抗零相位角運行，具有效率高、成本低且易于實現(xiàn)的技術優(yōu)點。

3、（二）技術方案

4、本發(fā)明為實現(xiàn)其發(fā)明目的，解決其技術問題，所提出的技術方案如下：

5、本發(fā)明的第1個發(fā)明目的在于提供一種雙頻兼容的恒流恒壓無線充電系統(tǒng)，用于通過參數(shù)調諧的雙頻諧振補償網(wǎng)絡與頻率切換實現(xiàn)電池的恒流恒壓混合充電及輸入阻抗零相位角運行，所述無線充電系統(tǒng)包括：

6、輸入側直流電壓源，用于提供恒定直流輸入電壓 vdc；

7、高頻全橋逆變電路，連接于直流電壓源的輸出端，由四個功率開關管 q1~ q4組成，用于將直流輸入電壓 vdc轉換為交流方波電壓 uab；

8、一次側諧振補償網(wǎng)絡，連接于高頻全橋逆變電路的輸出端，包括一次側串聯(lián)補償電感 lp1、一次側串聯(lián)補償電容 cp、一次側并聯(lián)補償電感 l1、一次側并聯(lián)補償電容 c1和 c3，并通過元件之間的連接分別形成為主諧振路徑和并聯(lián)補償支路，并聯(lián)補償支路用于調節(jié)主路徑諧振特性和阻抗匹配；

9、松耦合變壓器，由一次側發(fā)射線圈 lp和二次側接收線圈 ls組成，二者之間具有磁耦合互感 m，用于實現(xiàn)非接觸式電能傳輸；

10、二次側諧振補償網(wǎng)絡，連接于二次側接收線圈 ls的輸出端，包括二次側串聯(lián)補償電感 l2、二次側串聯(lián)補償電容 cs和 c2，其中 ls與 cs直接串聯(lián)， l2與 c2并聯(lián)后與 ls- cs串聯(lián)電路串聯(lián)連接；

11、輸出側全橋整流濾波電路，連接于二次側補償網(wǎng)絡的輸出端，由四個整流二極管 d1~ d4和輸出濾波電容 co組成，用于將接收的交流方波電壓 uab整流濾波為直流充電電壓 uo；及

12、直流負載 ro，連接于輸出側全橋整流濾波電路的輸出端，用于接收恒定的直流充電電壓或電流；

13、其中，一次側諧振補償網(wǎng)絡與二次側諧振補償網(wǎng)絡共同形成雙頻諧振系統(tǒng)，通過在第一諧振角頻率 ω1與第二諧振角頻率 ω2之間切換運行，實現(xiàn)恒流與恒壓模式切換，并在兩種頻率模式下均滿足輸入阻抗零相位角運行條件。

14、本發(fā)明的第2個發(fā)明目的在于提供一種上述雙頻兼容的恒流恒壓無線充電系統(tǒng)的參數(shù)調諧方法，至少包括如下步驟：

15、ss1.?系統(tǒng)固有參數(shù)設定

16、在無線充電系統(tǒng)中指定如下固有參數(shù)：輸入直流電壓 vdc、系統(tǒng)恒流運行狀態(tài)下對應的第一諧振角頻率 ω1、系統(tǒng)恒壓運行狀態(tài)下對應的第二諧振角頻率 ω2、一次側并聯(lián)補償電感的電感值 l1、二次側串聯(lián)補償電感的電感值 l2、二次側接收線圈的電感值 ls、系統(tǒng)恒壓輸出條件下的直流充電電壓 uo以及恒流輸出條件下的直流充電電流 io；

17、ss2.?諧振條件與零相位角條件確定

18、根據(jù)基本lc諧振網(wǎng)絡的諧振條件和電路特性，分別確定系統(tǒng)滿足恒流及恒壓輸出的諧振條件及兩種輸出狀態(tài)下輸入阻抗零相位角運行的諧振條件；

19、ss3.?耦合線圈互感值計算

20、在系統(tǒng)滿足恒流輸出的諧振條件下，根據(jù)指定的輸入電壓值 vdc、輸出電流值 io、諧振角頻率 ω1，計算所需的耦合線圈互感值 m；

21、ss4.?一次側串聯(lián)補償電感調諧

22、在系統(tǒng)滿足恒壓輸出的諧振條件下，根據(jù)指定輸入電壓值 vdc、輸出電壓值 uo、計算所得線圈互感值 m，計算所需一次側串聯(lián)補償電感 lp1的電感值；

23、ss5.?一次側并聯(lián)補償電容 c1調諧

24、根據(jù)指定的電感值 l1、諧振角頻率 ω1、步驟ss2中確定的系統(tǒng)滿足恒流輸出的諧振條件，計算所需一次側并聯(lián)補償電容 c1的電容值；

25、ss6.?一次側并聯(lián)補償電容 c3調諧

26、根據(jù)指定的電感值 l1、諧振角頻率 ω2、步驟ss2中確定的系統(tǒng)滿足恒壓輸出的諧振條件、步驟ss4中所計算的電感值 lp1、步驟ss5中所計算的電容值 c1，計算所需一次側并聯(lián)補償電容 c3的電容值；

27、ss7.?一次側 cp及 lp調諧

28、根據(jù)指定的諧振角頻率 ω1、 ω2、步驟ss2中確定的系統(tǒng)滿足恒流輸出的諧振條件、系統(tǒng)恒壓輸出狀態(tài)下輸入阻抗零相位角運行的諧振條件、步驟ss4中所計算的電感值 lp1，計算所需的一次側串聯(lián)補償電容 cp的電容值和一次側發(fā)射線圈的電感值 lp；

29、ss8.?二次側串聯(lián)補償電容 cs和 c2調諧

30、根據(jù)步驟ss1中指定的諧振角頻率 ω1、 ω2、電感值 l2、電感值 ls、步驟ss2中確定的系統(tǒng)滿足恒壓輸出的諧振條件、系統(tǒng)恒流輸出狀態(tài)下輸入阻抗零相位角運行的諧振條件，計算所需二次側串聯(lián)補償電容 cs和 c2的值。

31、（三）技術效果

32、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的雙頻兼容的恒流恒壓無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)調諧方法具有如下有益效果：

33、(1)?本發(fā)明公開的無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)調諧方法，通過在系統(tǒng)中構建混合補償網(wǎng)絡以及其參數(shù)調諧，使系統(tǒng)可兼容兩個不同頻率信號的諧振運行，實現(xiàn)雙頻功率信號的獨立傳輸。

34、(2)?本發(fā)明公開的無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)調諧方法，通過合理的補償參數(shù)調諧和簡單的頻率切換控制，在不改變系統(tǒng)固有參數(shù)或使用復雜控制和附加器件的情況下，即可實現(xiàn)恒流和恒壓充電模式的靈活切換，降低了系統(tǒng)的成本和控制復雜度。

35、(3)?本發(fā)明公開的無線充電系統(tǒng)及其參數(shù)調諧方法，不僅可以實現(xiàn)恒流恒壓混合無線充電以滿足電池充電需求，還能實現(xiàn)恒流和恒壓兩種充電模式下的輸入阻抗零相位角運行，減小了系統(tǒng)無功功率，提升了系統(tǒng)效率和功率傳輸能力。