阅读说明：本技术 一种单管恒流恒压无线充电装置及其控制方法 (single-tube constant-current constant-voltage wireless charging device and control method thereof ) 是由 王春芳 李厚基 李军和 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于电学技术领域,涉及一种单管恒流恒压无线充电装置及其控制方法,高频交流电经过第一CLC谐振网络施加在发射线圈两端,并在接收线圈两端感应出电流,该电流经过第二LCC谐振网络、高频整流电路和滤波电容后变为所需要的直流电,供给蓄电池进行充电；控制简单,开关损耗低,而且本电路结构简单,成本低,效率高,能实现对蓄电池恒流-恒压充电的要求,有实际应用价值,可广泛应用于无线充电领域。(the invention belongs to the technical field of electricity, and relates to a single-tube constant-current constant-voltage wireless charging device and a control method thereof.A high-frequency alternating current is applied to two ends of a transmitting coil through a first CLC resonance network, and induces currents at two ends of a receiving coil, and the currents are changed into required direct currents after passing through a second LCC resonance network, a high-frequency rectifying circuit and a filter capacitor and are supplied to a storage battery for charging; the circuit has the advantages of simple structure, low cost and high efficiency, can meet the requirement of constant-current and constant-voltage charging of the storage battery, has practical application value, and can be widely applied to the field of wireless charging.)

一种单管恒流恒压无线充电装置及其控制方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种单管恒流恒压无线充电装置及其控制方法，特别是一种可对蓄电池进行恒流恒压无线充电的单管逆变感应耦合电能传输装置及其控制方法。

背景技术：

目前，基于感应耦合无线电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技术的恒流-恒压充电系统的主电路拓扑大多采用全桥电压型逆变电路，还未见基于单管逆变电路实现恒流-恒压无线充电的相关文献。单管电路采用单个开关管进行逆变，比全桥逆变电路开关器件少、控制简单、开关损耗小、可靠性高，并且不存在上下桥臂的直通问题。为此设计一种适用于千瓦级以下具有电路结构简单、成本低、可靠性高、便于大规模推广的基于单管电路的恒流-恒压无线充电装置及控制方法具有非常大的实用价值。

发明内容

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本发明的目的在于克服现有技术的缺点，弥补当前没有在单管无线电能传输电路无法实现恒流-恒压输出为蓄电池无线充电的空白，设计提供一种在不改变电路参数的情况下通过改变开关管的工作状态而实现恒流模式到恒压模式的无线充电装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明所述单管恒流恒压无线充电的装置的主体结构包括工频整流、L₁C₁滤波电路、第一CLC谐振网络、发射线圈、开关管、接收线圈、第二LCC谐振网络、高频整流电路、滤波电容、蓄电池、原边控制电路和副边控制电路；220伏工频交流电经工频整流及L₁C₁滤波电路以后，将工频交流电变为直流电，然后开关管将直流电逆变为高频交流电；高频交流电经过第一CLC谐振网络施加在发射线圈两端，并在接收线圈两端感应出电流，该电流经过第二LCC谐振网络、高频整流电路和滤波电容后变为所需要的直流电，供给蓄电池进行充电；工频整流将220伏工频交流电进行整流；L₁C₁滤波电路由第一电感和第一电容组成低通滤波器，滤除高次谐波；开关管实现电能的高频逆变；第一CLC谐振网络补偿发射线圈的无功环流，由第二电容、第三电容和第二电感组成；由于磁场耦合作用，发射线圈将电能传输到接收线圈；第二LCC谐振网络由第四电容、第五电容和第三电感组成，用于补偿接收线圈的无功环流；高频整流电路和滤波电容将交流电变为直流电并向蓄电池充电；原边控制电路包括第一单片机控制电路、驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、运行状态检测电路；驱动电路和开关管栅极相连，第一辅助电源与电源相连，第一电压检测电路与开关管漏极相连，运行状态检测电路和第二电容相连；第一单片机控制电路分别与驱动电路、第一辅助电源、第一无线通信电路、第一电压检测电路、运行状态检测电路连接；第一辅助电源为第一无线通信电路、驱动电路、第一单片机控制电路供电；第一单片机控制电路根据第一无线通信电路接收到的通信信号输出开关管的驱动信号，驱动信号进入驱动电路进行放大；运行状态检测电路用于检测电路运行状态；第一电压检测电路用于检测主开关管漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路，显示发射线圈上的电压、电流及判断是否实现零电压开通，当发射线圈上的电流过零时，控制开关管导通，确保开关管零电压开通；副边控制电路包括采样电路、第二单片机控制电路、第二辅助电源及第二无线通信电路；采样电路与蓄电池正极相连，检测蓄电池的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路分别与采样电路、第二辅助电源和第二无线通信电路相连；第二辅助电源与电感L₃相连，为采样电路、第二单片机控制电路和第二无线通信电路供电；第二单片机控制电路根据接收到的采样电路的电压电流信号，控制第二无线通信电路向第一无线通信电路发射反馈信号。

本发明基于单管ICPT电路实现恒流恒压控制的方法，具体包括以下步骤：

(1)启动电源为主电路供电，启动第一辅助电源分别为第一单片机控制电路、驱动电路、第一无线通信电路供电，启动第二辅助电源分别为采样电路、第二单片机控制电路、第二无线通信电路供电；

(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池进行充电，充电的第一阶段为恒流充电，先使采样电路工作，第二单片机控制电路对采集到的信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号低于预先设定值时，经由第二单片机控制电路判断后工作在电流采样模式下，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信；当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整其输出PWM频率使主电路工作在恒流输出模式下，并微调输出PWM频率使得给蓄电池的充电电流稳定在预先设定的值I_B；

(3)当蓄电池两端的电压达到恒压模式输出电压值的瞬间，由采样电路采集到这一电压值，经第二单片机控制电路处理后，并向第二无线通信电路传输数据，使其与第一无线通信电路进行无线通信；当第一单片机控制电路检测到来自第一无线通信电路的信号后，第一单片机控制电路调整其输出PWM频率使主电路工作在恒压输出模式下，并微调输出PWM频率使得给蓄电池的充电电压稳定在预先设定的值；

(4)在恒压充电阶段，当检测到流经蓄电池的电流下降到小于预先设定的最小界限时，经由第二单片机控制电路、第二无线通信电路、第一无线通信电路以及第一单片机控制电路的处理后，使驱动电路停发PWM脉冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。

本发明与现有的充电方法相比，控制简单，开关损耗低，而且本电路结构简单，成本低，效率高，能实现对蓄电池恒流-恒压充电的要求，有实际应用价值，可广泛应用于无线充电领域。

附图说明：

图1是本发明所述单管恒流恒压无线充电装置原理示意图。

图2是本发明所述恒流-恒压输出电压、电流波形示意图。

图3是本发明所述单管恒流-恒压工作模式转换的的工作流程示意图，其中U_B为充电时蓄电池两端电压值，U_ref为恒流-恒压模式转换时的蓄电池两端电压值，I_B为充电时流经蓄电池的电流值，为设定的充电结束时流经蓄电池的电流值。

具体实施方式

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下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例所述一种单管恒流恒压无线充电的装置的主体结构包括工频整流1、L₁C₁滤波电路2、第一CLC谐振网络3、发射线圈L_p、开关管Q₁、接收线圈L_s、第二LCC谐振网络4、高频整流电路5、滤波电容C₂、原边控制电路6、副边控制电路7和蓄电池8；220伏工频交流电V_ac经工频整流1及L₁C₁滤波电路2以后，将工频交流电变为直流电，然后开关管Q₁将直流电逆变为高频交流电；高频交流电经过第一CLC谐振网络3施加在发射线圈L_p两端，并在接收线圈L_s两端感应出电流，该电流经过第二LCC谐振网络4、高频整流电路5和滤波电容C₂后变为所需要的直流电，供给蓄电池8进行充电；工频整流1将220伏工频交流电V_ac进行整流；L₁C₁滤波电路2由第一电感L₁和第一电容C₁连接组成低通滤波器，滤除高次谐波；开关管Q₁实现电能的高频逆变；第一CLC谐振网络3补偿发射线圈L_p的无功环流，由第二电容C_p1,、第三电容C_p2和第二电感L₂安装电学原理连接组成；由于磁场耦合作用，发射线圈L_p将电能传输到接收线圈L_s；第二LCC谐振网络4由第四电容C_s1、第五电容C_s2和第三电感L₃组成补，用于偿接收线圈L_s的无功环流；高频整流电路5和滤波电容C₂将交流电变为直流电并向蓄电池8充电；原边控制电路6包括第一单片机控制电路9、驱动电路10、第一辅助电源11、第一无线通信电路12、第一电压检测电路13、运行状态检测电路14；驱动电路10与开关管Q₁的栅极相连，第一辅助电源11与电源相连，第一电压检测电路13与开关管Q₁的漏极相连，运行状态检测电路14与第二电容C_p1相连；第一单片机控制电路9分别与驱动电路10、第一辅助电源11、第一无线通信电路12、第一电压检测电路13、运行状态检测电路14连接；第一辅助电源11为第一无线通信电路12、驱动电路10、第一单片机控制电路9供电；第一单片机控制电路9根据第一无线通信电路12接收到的通信信号输出开关管Q₁的驱动信号，驱动信号进入驱动电路10进行放大；运行状态检测电路14用于检测电路运行状态；第一电压检测电路13用于检测开关管Q₁的漏源两端的电压，并将信号送入第一单片机控制电路9，显示发射线圈L_p上的电压、电流及判断是否实现零电压开通，当发射线圈L_p上的电流过零时，控制开关管Q₁导通，确保开关管Q₁零电压开通；副边控制电路7包括采样电路15、第二单片机控制电路16、第二辅助电源17及第二无线通信电路18；采样电路15与蓄电池8正极相连，检测蓄电池8的输出电压和输出电流；第二单片机控制电路16分别与采样电路15、第二辅助电源17和第二无线通信电路18相连；第二辅助电源17与第三电感L₃相连，为采样电路15、第二单片机控制电路16和第二无线通信电路18供电；第二单片机控制电路16根据接收到的采样电路15的电压电流信号，控制第二无线通信电路18向第一无线通信电路12发射反馈信号。

本实施例基于单管ICPT电路实现恒流恒压控制的方法，具体包括以下步骤：

(1)启动电源为主电路供电，启动第一辅助电源11分别为第一单片机控制电路9、驱动电路10、第一无线通信电路12供电，启动第二辅助电源17分别为采样电路15、第二单片机控制电路16、第二无线通信电路18供电；

(2)主电路到达稳定工作状态时，开始对蓄电池8进行充电，充电的第一阶段为恒流充电，先使采样电路15工作，第二单片机控制电路16对采集到的信号进行AD转化，当判断到采集的电压信号U_B低于预先设定值U_ref时，经由第二单片机控制电路16判断后工作在电流采样模式下，并向第二无线通信电路18传输数据，使其与第一无线通信电路12进行无线通信；当第一单片机控制电路9检测到来自第一无线通信电路12的信号后，第一单片机控制电路9调整其输出PWM频率为f_CC使主电路工作在恒流输出模式下，并通过在f_CC附近微调输出PWM频率使得给蓄电池8的充电电流稳定在预先设定的值I_B；

(3)当蓄电池8两端的电压达到恒压模式输出电压值U_ref的瞬间，由采样电路15采集到这一电压值，经第二单片机控制电路16处理后，并向第二无线通信电路18传输数据，使其与第一无线通信电路12进行无线通信。当第一单片机控制电路9检测到来自第一无线通信电路12的信号后，第一单片机控制电路9调整其输出PWM频率为f_CV使主电路工作在恒压输出模式下，并通过在f_CV附近微调输出PWM频率使得给蓄电池8的充电电压稳定在预先设定的值；

(4)在恒压充电阶段，当检测到流经蓄电池8的电流下降到小于预先设定的界限I_min时，经由第二单片机控制电路16、第二无线通信电路18、第一无线通信电路12以及第一单片机控制电路9的处理后，使驱动电路10停发PWM脉冲信号，以使充电结束，否则继续恒压输出。