一种基于负载识别技术的无线充电系统充电方法

摘要

本发明公开了一种基于负载识别技术的无线充电系统充电方法，该方法在初级侧和次级侧分别进行控制；初级侧的控制为：通过采集无线充电系统中初级侧补偿电容两端的电压控制电压源输出电压的大小；次级侧的控制为：通过采集电池充电电压和充电电流控制次级侧所有的开关的通断，以实现系统充电模式的转换；本发明在无线充电系统初级侧与次级侧之间无通信模块的前提下，实现了识别非法的电池性负载，通过在初级侧调节输入电压的大小和控制次级侧所有开关状态，完成了对系统的保护。

说明书

技术领域

本发明涉及电池的无线充电领域，尤其是一种基于负载识别技术的无线充电系统充电方法。

背景技术

无线电能传输技术具有传统有线传输方式所没有的诸多优点，利用无线的方式实现对手机等小型便携式设备充电，则可以极大地提高使用的灵活性和舒适性，而再也不用携带冗余的电源线。往往，电能的传输与存储是同等重要，因此依赖无线电能传输技术解决能量的传输问题的同时，也需要很好的解决能量的高效存储问题。目前我们周边常见的储能设备为电池，尤其是以锂电池为主，而对于锂电池来说，恒流(CC)、恒压(CV)充电是最常见的充电方式，它将锂电池的整个充电过程分为恒流充电和恒压充电两个个阶段。

为了在无线充电过程中实现CC与CV充电之间的转换，现多采用变换无线系统拓扑的方法。由于无线充电系统的参数一旦给定，那么它在CC充电阶段的充电电流固定不变，一般通过检测电池的电压来切换电池的充电模式，当电池电压达到其标称电压时，切换拓扑至CV充电阶段。在CV充电阶段，它的充电电压也是恒定不变的。这就意味着系统的充电模式切换点固定，那么一个参数设计好的无线充电系统仅仅只能为一类电池充电，该类电池的标称电压与系统在CV阶段的恒压输出一致。如果一个标称电压与系统在CV阶段输出的电压不一致的电池接入系统，就会导致系统充电模式无法切换的问题，同时，由于不同电池所能承受的充电电流也不一致，不同类型的电池随意接入系统也会对电池本身造成伤害。因此，必须要防止不同电压等级的电池误接入系统的行为，且还需要保证电池在系统的充电过程中，充电电流与充电电压合理范围内。

发明内容

为了实现上述目标，本发明提供了一种基于负载识别技术的无线充电系统保护方法，在发射与接收端之间没有通信模块的基础上，系统发射端与接收端可以分别识别出非法电池负载信息，进而控制系统内开关状态，实现对系统的保护。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于负载识别技术的无线充电系统充电方法，包括步骤：

(1)搭建无线充电系统，所述无线充电系统包括初级侧和次级侧，初级侧包括：高频逆变电源和初级侧补偿电路；次级侧包括：次级侧开关电路和整流稳压电路；其中，

初级侧补偿电路包括：初级侧补偿电容C_p、初级侧补偿电感L_X和发射线圈；C_p与发射线圈并联后再串联L_X，形成一LCL谐振支路；

高频逆变电源串联在LCL谐振支路两端，为初级侧补偿电路提供高频电压；高频逆变电源的输出频率保持不变；

次级侧开关电路包括接收线圈、次级侧补偿电容C_s、次级侧补偿电感L_Y和开关S₁、S₂、S₃、S₄；接收线圈的一端与L_Y的一端相连，接收线圈与L_Y的连接点与C_s的正极板相连；L_Y的另一端通过S₁与S₃串联，S₁与S₃的连接点作为次级侧开关电路的第一输出端；S₃的另一端与C_s的负极板相连，S₃与C_s的连接点与S₂的一端相连；接收线圈的另一端通过S₄与S₂的另一端相连；S₄与S₂的连接点作为次级侧开关电路的第二输出端；次级侧开关电路通过接收线圈与发射线圈耦合接收能量，并将接收到的能量转换为次级侧开关电路的输出电压U_mn，即次级侧开关电路第一、第二输出端之间的电压；

整流稳压电路的对次级侧开关电路的输出电压U_mn进行整流稳压处理，处理后的电压即为恒流-恒压无线充电系统的输出电压；

(2)设置系统参数，包括：设置电池的恒流充电电流为I_bat，s，电池标称电压为U_bat，n，L_X＝L_p＝L_s＝L_Y＝L，C_p＝C_s＝C，发射线圈与接收线圈间的互感为M，谐振角频率为ω，

(3)系统初始化：设定所述无线充电保护系统中未接入电池时，系统处于待机状态，此时，高频逆变电源输出的电压为U_in，s，开关S₁、S₂、S₃、S₄均断开；

(4)当有电池接入时，分别在所述无线充电保护系统的初级侧和次级侧进行充电保护；

次级侧的保护步骤为：

(4-1)采集电池两端电压U_bat，若U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n，则判定所接电池合法，此时闭合开关S₁、S₂、S₄，并转入步骤(4-2)；否则，保持开关S₁、S₂、S₃、S₄均断开；U_bat，u表示电池欠压状态下的最低电压；

(4-2)开关S₁、S₂、S₄闭合后，所述无线充电保护系统对电池进行恒流充电直至电池两端电压U_bat满足U_bat＞＞U_bat，n；当电池两端电压U_bat满足U_bat＞＞U_bat，n时，断开S₁、S₂，闭合S₃，所述无线充电保护系统对电池进行恒压充电，直至冲电完成；

初级侧的保护步骤为：

(4-3)采集C_p两端的电压U_cp，判断是否满足：

若满足，则判定所接电池合法，调节高频逆变电源的输出电压为U_in，n，转入步骤(4-4)；否则，保持高频逆变电源的输出电压为U_in，s；

(4-4)实时采集高频逆变电源的输出电压切换为U_in，n后C_p两端的电压U_Cp，当U_Cp满足U_Cp＝U_in，n时，调节高频逆变电源的输出电压为U_in，s，返回步骤(4-3)。

进一步的，所述无线充电系统中还包括初级侧控制电路和次级侧控制电路；初级侧控制电路包括：电压采集单元V1和微处理器MCU1；次级侧控制电路包括电压采集单元V2、电流采集单元和微处理器MCU2；其中，

电压采集单元V1采集C_p两端的电压，并将采集到的电压值发送给微处理器MCU1；微处理器MCU1根据接收到的C_p两端的电压值生成电源电压调节指令，并发送给高频逆变电源，高频逆变电源根据电源电压调节指令调节自身输出电压；

电压采集单元V2和电流采集单元分别采集电池两端电压和电池充电电流，并将采集到的数据发送给微处理器MCU2；微处理器MCU2根据接收到的电池两端电压和电池充电电流生成开关控制指令，控制开关S₁、S₂、S₃、S₄的通断。

进一步的，该方法还包括故障检测，故障检测的步骤为：

设置阈值I_bat，m和U_bat，m；在充电过程中，一旦检测到充电电流I_bat大于I_bat，m或充电电压U_bat大于U_bat，m，则判定系统出现故障，微处理器MCU2断开开关S₁、S₂、S₃、S₄，使次级侧开路；此时，电容C_p两端电压变为U_in，n，微处理器MCU1控制高频逆变电源的输出电压切换至U_in，s。

有益效果：本发明能够分别在初级侧与次级侧识别出系统的非法电池性负载接入，避免了系统初级侧与次级侧之间的信息交互，完成了在非法电池性负载接入系统和系统充电电流与充电电压发生故障时，系统的安全保护。

附图说明

图1为本发明所述的无线充电系统原理框图；

图2为本发明所述的无线充电系统原理图；

图3为本发明所述系统初级侧控制流程图；

图4为本发明所述系统次级侧控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明所涉及的无线充电系统框图如图1所示，所述系统的电路结构包括高频逆变电源、初级侧补偿电路、初级侧控制电路、次级侧开关电路、整流稳压电路和次级侧控制电路。

结合图2的电路原理图，高频逆变电源为系统提供高频电能，电源电压有效值为U_in，电源电压频率为f。初级侧电路为由补偿电感L_X、补偿电容C_p和发射线圈组成的LCL谐振电路；发射线圈的电感为L_p；初级侧控制电路包括补偿电容C_p两端的电压采集单元，和可以控制电源输入电压的微处理器MCU1。次级侧开关电路包括接收线圈、补偿电容C_s、补偿电感L_Y和开关S₁、S₂、S₃、S₄。接收线圈的电感为L_s；开关S₁、S₂、S₃和S₄均为常开开关。S₁、S₂和S₃用于控制系统的拓扑切换，S₄用于保护系统，它在正常工作情况下闭合；次级侧开关电路的输出端与整流稳压电路的输入端相连，整流稳压电路的输出端作为恒流-恒压无线充电系统的输出端；次级侧控制电路包括：电池电压的采集单元、充电电流采集单元和用于控制次级侧所有开关的微处理器MCU2；逆变电源的输出频率与输出电压在充电过程中保持不变；L_X＝L_p＝L_s＝L_Y＝L，C_p＝C_s＝C，发射线圈与接收线圈间的互感为M。

所述无线充电系统在系统正常运行情况下，S₄闭合，当系统处于恒流(CC)充电模式时，开关S₁和S₂闭合；通过检测充电电压U_bat，当其升至标称电压U_bat，n时，开关S₁和S₂断开，S₃闭合，系统进入恒压(CV)充电模式。在CV充电模式中，系统的输出电压要等于电池的标称电压U_bat，n。我们规定电池标称电压与系统在CV模式下的输出电压相同的这一类电池为合法负载，而与其不等的一类电池为非法负载，非法负载的标称电压与合法负载标称电压具有一定差别。

系统有两种工作状态，一种是正常工作状态，高频逆变电源的输出电压为U_in，n，另一种是待机状态，输入电压为U_in，s，U_in，s≤U_in，n。当系统处于CC充电模式时，电池充电电流I_bat与系统输入电压的关系为：

因此，正常工作状态下，CC模式下的充电电流为I_bat，n；待机工作状态是，CC模式下的充电电流为I_bat，s。

当合法负载欠压时，它的电压U_bat一般满足U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n。其中U_bat，u为电池欠压状态时的最低电压，U_bat，n为电池的标称电压。

图3和图4分别为初级侧和次级侧的控制流程图，步骤如下：

1、当系统中无电池接入时，系统处于待机状态，此时图2中开关均断开，补偿电容C_p两端电压为U_in，s。

2、当有电池接入时，先检测电池两端电压U_bat若满足

U_bat，u＜U_bat＜U_bat，n>

则次级侧认为所接电池为合法负载，通过MCU2闭合S₁，S₂和S₄。因初级侧与次级侧之间信息独立，初级侧则是通过实时检测补偿电容C_p两端电压有效值来识别系统所接负载，C_p两端电压：

此时系统输入仍为待机电压，结合整流桥前后的等效电阻转换关系，合法负载应该为若初级侧的电压检测单元检测到U_Cp满足：

初级侧则认为所接电池为合法负载，MCU1控制电源使其切换至正常电压U_in，n，系统进入正常工作状态。

若电池电压不满足式(1)，次级侧认为系统中所接为非法负载，图1中所有开关仍断开，补偿电容C_p两端电压为U_in，s，系统仍处于待机模式。

3、若系统所接为合法负载，系统进入CC模式。当充电电压U_bat＝U_{bat，n>时，MCU2断开S1和S2，闭合S3，系统进入CV模式。}

4、若在充电过程中，充电电压与充电电流一旦出现异常，MCU2断开次级所有开关，即次级侧开路。此时，电容C_p两端电压变为U_in，n，初级侧判定系统异常，通过MCU1控制电源使其切换至待机电压U_in，n。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。