1.本发明涉及感应电能传输技术领域，尤其是涉及一种具备轻载效率提升功能的无线充电
系统及方法。
背景技术：
2.传统的有线充电方式因其线路易老化、易产生电弧等因素逐渐被一种新兴的感应电能传输(ipt)技术所替代。ipt技术因其具备易于维护、安全、电气隔离等特点大大提升了设备电源的可靠性和安全性，增加了设备的使用寿命。目前这种技术已经被广泛应用到电动汽车、植入生物医学、消费电子、水下设备等工业领域。
3.在上述ipt系统应用中，恒压充电和高的功率传输效率是最基本和最主要的目标。然而，在系统进入恒压充电中后期的轻载模式下，会出现系统的功率传输效率大大降低的问题。为此，研究者提出了一种最大效率跟踪(met)控制方案以达到效率提升的目标，然而，met控制方案不仅增加了控制的复杂性和系统的开发成本，而且由于引入了dc-dc转换器而增加了额外的功率损耗。为了解决上述问题，本发明提出了一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统及方法。
技术实现要素：
4.本发明为解决上述问题而提供一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统及方法，该系统在重载模式时，高频
逆变器h和整流器d均以传统的全桥模式运行，系统功率传输效率较高；在轻载模式时，交流开关sk开通，驱动信号控制mosfets开关管q2和q4分别始终保持断开和导通状态，高频逆变器h和整流器d均以半桥模式运行，此过程系统的等效交流
负载电阻ro逼近系统最佳等效交流负载电阻ro_opt，极大程度提升系统轻载模式时的功率传输效率，此外，系统充电电压在模式转换前后基本维持恒定。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统及方法，包括直流电源ud，高频逆变器h，恒压谐振网络，整流器d，交流开关sk，滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
，电池等效负载电阻rb，所述高频逆变器h由四个mosfets(q1、q2、q3、q4)开关管构成，所述整流器d由四个二极管(d1、d2、d3、d4)构成；所述直流电源ud的输出两端连接高频逆变器h的输入两端，所述高频逆变器h的输出两端接恒压谐振网络的输入两端，以此构成恒压充电发射回路；所述恒压谐振网络的输出两端连接整流器d的输入两端，以此构成恒压充电接收回路；所述交流开关sk的一端连接二极管d2和d4之间的连线中点，交流开关sk的另一端连接滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
之间的连线中点，所述滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
串联后与电池负载并联。
7.一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统的轻载效率提升方法，包括以下步骤：
8.步骤1：在恒压充电初始时期，系统处于重载阶段；此时，交流开关sk断开，高频逆变器h和整流器d均以传统的全桥模式运行，系统持续保持较高的功率传输效率；
9.步骤2：随着充电的进行，电池等效负载电阻rb不断上升；系统实时地检测电池负载的充电电压和电流，以计算电池等效负载电阻rb，并对比rb是否上升至预设等效负载电阻r
b_ref
；
10.r
b_ref
的计算过程如下：
[0011][0012]
其中r
b_opt_full_bridge
、r
b_opt_half_bridge
和r
o_opt
分别为全桥模式下的最佳电池等效负载电阻、半桥模式下的最佳电池等效负载电阻和恒压谐振网络的最佳等效交流负载电阻；
[0013]
步骤3：当电池等效负载电阻rb上升至预设等效负载电阻r
b_ref
时，系统进入轻载阶段；交流开关sk开通，驱动信号控制mosfets开关管q2和q4分别始终保持断开和导通状态，高频逆变器h和整流器d均以半桥模式运行；此过程系统的等效交流负载电阻ro逼近系统最佳等效交流负载电阻r
o_opt
，实现较高水平的功率传输效率，从而达到了轻载效率提升的目标；此外，系统充电电压在模式转换前后基本维持恒定。
[0014]
采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
[0015]
1.本发明引入的交流开关sk结构简单，成本低，且不需复杂的控制；
[0016]
2.本发明结合了全桥模式和半桥模式下的效率最优部分，有效地提高ipt系统的整体功率传输效率，同时系统的充电电压基本维持恒定；
[0017]
3.本发明在系统恒压输出时，逆变器的输出电压和输出电流基本同相位，没有多余的功率损耗，确保了系统运行的高效性。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1是本发明的一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统整体电路架构图；
[0020]
图2是本发明的一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统基于lcc/s谐振网络的重载模式系统电路架构图；
[0021]
图3是本发明的一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统基于lcc/s谐振网络的轻载模式系统电路架构图；
[0022]
图4是本发明的一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统基于lcc/s谐振网络的等效电路图；
[0023]
图5是本发明的一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统三个模式下的功率传输效率曲线图。
[0024]
附图标记说明如下：
[0025]
1、全桥和半桥模式效率最优部分；2、全桥模式；3、半桥模式。
具体实施方式
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]
如图1所示，一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统，包括直流电源ud，高频逆变器h，恒压谐振网络，整流器d，交流开关sk，滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
，电池等效负载电阻rb，所述高频逆变器h由四个mosfets(q1、q2、q3、q4)开关管构成，所述整流器d由四个二极管(d1、d2、d3、d4)构成；所述直流电源ud的输出两端连接高频逆变器h的输入两端，所述高频逆变器h的输出两端接恒压谐振网络的输入两端，以此构成恒压充电发射回路；所述恒压谐振网络的输出两端连接整流器d的输入两端，以此构成恒压充电接收回路；所述交流开关sk的一端连接二极管d2和d4之间的连线中点，交流开关sk的另一端连接滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
之间的连线中点，所述滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
串联后与电池负载并联。
[0028]
一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统的轻载效率提升方法：包括以下步骤：
[0029]
步骤1：在恒压充电初始时期，系统处于重载阶段；此时，交流开关sk断开，高频逆变器h和整流器d均以传统的全桥模式运行，系统持续保持较高的功率传输效率；
[0030]
步骤2：随着充电的进行，电池等效负载电阻rb不断上升；系统实时地检测电池负载的充电电压和电流，以计算电池等效负载电阻rb，并对比rb是否上升至预设等效负载电阻r
b_ref
；
[0031]
步骤3：当电池等效负载电阻rb上升至预设等效负载电阻r
b_ref
时，系统进入轻载阶段；交流开关sk开通，驱动信号控制mosfets开关管q2和q4分别始终保持断开和导通状态，高频逆变器h和整流器d均以半桥模式运行；此过程系统的等效交流负载电阻ro逼近系统最佳等效交流负载电阻r
o_opt
，实现较高水平的功率传输效率，从而达到了轻载效率提升的目标；此外，系统充电电压在模式转换前后基本维持恒定。
[0032]
图2和图3分别所示本发明涉及的系统基于lcc/s谐振网络的重载模式和轻载模式系统架构电路图；
[0033]
等效电路包括：包括直流电源ud，高频逆变器h，初级补偿电感l
t
，初级并联补偿电容c
t
，初级串联补偿电容c
p
，初级发射线圈l
p
，次级接收线圈ls，次级串联补偿电容cs，整流器d，交流开关sk，滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
，电池等效负载电阻rb，所述高频逆变器h由四个mosfets(q1、q2、q3、q4)开关管构成，所述整流器d由四个二极管(d1、d2、d3、d4)构成；所述直流电源ud的输出端连接高频逆变器h的输入一端，所述高频逆变器h输出的一端串联接初级补偿电感l
t
，所述初级补偿电感l
t
的另一端接初级并联补偿电容c
t
和初级串联补偿电容c
p
的一端，所述初级串联补偿电容c
p
另一端接初级发射线圈l
p
的一端，所述初级发射线圈l
p
的另一端与初级并联补偿电容c
t
和高频逆变器h输出的另一端连接，以此构成恒压充电发射回路；所述次级接收线圈ls的一端连接次级串联补偿电容cr的一端，所述次级串联补偿电容cr的另一端连接整流器d输入的一端，以此构成恒压充电接收回路；所述交流开关sk两端分别连接mosfets开关管d2和d4之间的连线中点和滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
之间的连线中点，所述滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
与电池等效负载电阻rb并联。
[0034]
图4是本发明涉及的基于lcc/s谐振网络的实施例等效电路图，等效电路包括交流输入电压ui，交流输入电流ii，初级补偿电感l
t
，初级并联补偿电容c
t
，初级串联补偿电容c
p
，
初级发射线圈l
p
，次级接收线圈ls，次级串联补偿电容cr，交流输入电压uo，交流输入电流io和等效交流负载电阻ro。
[0035]
图5是本发明涉及的系统实施例系统的三个模式下的理论功率传输效率曲线图，包括：全桥和半桥模式下的系统理论功率传输效率的最优部分曲线1，全桥模式下的系统理论功率传输效率曲线2，半桥模式下的系统理论功率传输效率曲线3。
[0036]
下面给出一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统的方法的详细解析。
[0037]
为了消除系统内的无功功率，需保证系统工作在谐振状态，此外，由于初级补偿电感l
t
、能量发射线圈l
p
、能量接收线圈ls均采用内阻极小的利兹线，因此满足谐振的方程可以表示为：
[0038][0039]
图4中lcc/s谐振网络实现与负载无关的跨导增益gv表示为：
[0040][0041]
此外，图4中lcc/s谐振网络的功率传输效率的表达式表示为：
[0042][0043]
式(4)中的r
t
，r
p
，rs分别是初级补偿电感l
t
，初级发射线圈l
p
，次级接收线圈ls的内阻，ω为系统工作角频率，m为初级发射线圈l
p
和次级接收线圈ls的互感。
[0044]
此外，相应的最佳等效交流负载电阻r
o_opt
的表达式推导为：
[0045][0046]
当交流开关sk打开时，高频逆变器h和整流器d在全桥模式和半桥模式下工作，相应的最优等效负载电阻表达式表示为：
[0047][0048]
由式(6)可知，在相同的电池等效负载电阻rb下，整流器在半桥模式下工作时的等效负载电阻为全桥模式的四分之一。因此，随着充电的进行，使用本发明提出的轻载效率提升技术，可以使轻载模式下的等效交流负载电阻ro接近最最佳等效交流负载电阻r
o_opt
，确保系统整体运行的高效性。
[0049]
此外，全桥模式和半桥模式下工作的整流器d和高频逆变器h的跨导增益分别表示
为：
[0050][0051][0052]
由式(7)可知，半桥模式下的整流器d的跨导增益是全桥模式下的两倍。然而，由式(8)可知，半桥模式下高频逆变器h的跨导增益是全桥模式下的一半，可以抵消半桥模式下整流器d上升的电压倍数。因此，通过在高频逆变器h中选择合理工作模式下的整流器，可以实现在不影响恒压充电输出的情况下提高ipt系统的功率传输效率。
[0053]
根据式(6)，全桥模式和半桥模式下相应的最优负载电阻可推导为：
[0054][0055]
根据式(9)，ipt系统的预设等效负载电阻r
b_ref
可以推导为：
[0056][0057]
以上所述，仅是本发明的系统结构和相关参数设计的详细解析，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然本发明已以较优实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的系统架构和相关参数设计方法对本发明做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明系统架构和相关参数设计的内容，依据本发明的系统架构和相关参数设计实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明系统架构和相关参数设计方案保护的范围内。
技术特征：
1.一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统及方法，其特征在于：包括直流电源u
d
，高频逆变器h，恒压谐振网络，整流器d，交流开关s
k
，滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
，负载电阻r
b
，所述高频逆变器h由四个mosfets(q1、q2、q3、q4)开关管构成，所述整流器d由四个二极管(d1、d2、d3、d4)构成；所述直流电源u
d
的输出两端连接高频逆变器h的输入两端，所述高频逆变器h的输出两端接恒压谐振网络的输入两端，以此构成恒压充电发射回路；所述恒压谐振网络的输出两端连接整流器d的输入两端，以此构成恒压充电接收回路；所述交流开关s
k
的一端连接二极管d2和d4之间的连线中点，交流开关s
k
的另一端连接滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
之间的连线中点，所述滤波电容c
f1
和滤波电容c
f2
串联后与电池负载并联。2.一种应用权利要求1所述的一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统的轻载效率提升方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：在恒压充电初始时期，系统处于重载阶段；此时，交流开关s
k
断开，高频逆变器h和整流器d均以传统的全桥模式运行，系统持续保持较高的功率传输效率；步骤2：随着充电的进行，电池等效负载电阻r
b
不断上升；系统实时地检测电池负载的充电电压和电流，以计算电池等效负载电阻r
b
，并对比r
b
是否上升至预设等效负载电阻r
b_ref
；等效负载电阻r
b_ref
的计算过程如下：其中r
b_opt_full_bridge
、r
b_opt_half_bridge
和r
o_opt
分别为全桥模式下的最优等效负载电阻、半桥模式下的最优等效负载电阻和恒压谐振网络的最优等效交流负载电阻；步骤3：当电池等效负载电阻r
b
上升至预设等效负载电阻r
b_ref
时，系统进入轻载阶段；交流开关s
k
开通，驱动信号控制mosfets开关管q2和q4分别始终保持断开和导通状态，高频逆变器h和整流器d均以半桥模式运行；此过程系统的等效交流负载电阻r
o
逼近系统最佳等效交流负载电阻r
o_opt
，实现较高水平的功率传输效率，从而达到了轻载效率提升的目标；系统充电电压在模式转换前后基本维持恒定。
技术总结
本发明涉及感应电能传输技术领域，尤其是公开了一种具备轻载效率提升功能的无线充电系统及方法，包括直流电源U
技术研发人员：
杨林 张莉 蒋帅
受保护的技术使用者：
河南师范大学
技术研发日：
2022.08.09
技术公布日：
2022/11/22
