1.本发明涉及一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置和方法，属于电动汽车技术领域，特别涉及电动汽车的充电技术。
背景技术：2.当下，电动汽车被认为是能够解决能源和排放问题的理想交通工具，其可以使用有线和无线电能传输技术充电。有线充电是电动汽车最常见的充电方式，但充电电缆会有跳闸和触电的危险，不适合在有雪、冰等恶劣天气条件下使用。相比之下，无线电能传输技术采用原边和副边分离的方式，具有便捷、可靠等特点，在最近几年得到了迅速发展。
3.对于静止充电的汽车，因为停泊位置引发耦合线圈之间错位，导致系统漏感的增加和耦合系数k的降低，从而降低了系统性能。与此同时，为了延长电池寿命和循环次数，汽车中电池的充电是先采用恒流模式，然后电池电压快速增加到指定水平后，开始采用恒压模式。因此，在较大偏移容忍度的基础上，如何有效地保证无线充电的过程中，恒流模式和恒压充电模式的快速、稳定切换，对于保护电池、增强电池的安全性方面具有重要的意义。
4.现有技术中将两个偏移时具有相反输出变化趋势的耦合结构进行结合，使得总输出电压或电流的变化量在一定范围内能够相互抵消，从而实现与负载无关的恒定输出。基于这种特性，为了实现恒流和恒压的切换，发明专利cn109617190a“基于恒流-恒压复合拓扑的可抗偏移电池无线充电系统”提出了一种运用s-lcc和lcc-s拓扑结构相结合的复合结构，实现抗偏移的特性。该方案采用了三个开关进行恒流和恒压模式的切换，增加了系统的复杂程度和设计难度。发明专利cn112865338a“一种恒流恒压抗偏移输出无线充电系统和充电方法”提出了一种运用lcc-lcc和s-s拓扑结构相结合的复合结构，以克服输出不稳定的问题。该方案采用了两个开关和一系列元器件来实现充电模式的切换，增加了系统的设计成本和复杂度。
5.此外，也有研究通过变频或者调节占空比的方法，实现恒流和恒压模式的转换。但这类方案都需要宽范围的调制技术和复杂的控制电路，基于原边的控制方案更是需要稳定的通信手段，增加了电路的复杂程度。
技术实现要素：6.针对上述问题，本发明的目的是提供了一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置和方法，其运用一个开关，在系统偏移的情况下，满足恒流和恒压模式的切换，且设计方法简单，输出稳定。
7.为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，包括：高频全桥逆变电路、原边阻抗匹配网络、耦合线圈、副边阻抗匹配网络、恒流恒压切换网络和整流电路；高频全桥逆变电路连接恒定电压源，高频全桥逆变电路连接原边阻抗匹配网络，原边阻抗匹配网络经过耦合线圈与副边阻抗匹配网络连接，副边阻抗匹配网络连接恒流恒压切换网络，恒流恒压切换网络通过整流电路与负载相连；恒流
恒压切换网络包括恒流电容、恒压电容和开关，通过开关的开闭，实现恒流电容和恒压电容的切换。
8.进一步，耦合线圈包括第一电感、第二电感、第三电感和第四电感，其中第一电感和第三电感与原边阻抗匹配网络连接，第二电感和第四电感与副边阻抗匹配网络连接。
9.进一步，第一电感和第三电感串联，第二电感和第四电感并联。
10.进一步，原边阻抗匹配网络包括第一电容、第三电容和第六电容，其中第一电容的输入端连接高频全桥逆变电路，第一电容依次与第一电感、第三电容和第三电感串联，第三电感的输出端连接高频全桥逆变电路，第六电容与第三电容和第三电感并联。
11.进一步，副边阻抗匹配网络包括第二电容、第四电容、第五电容和第五电感，其中第二电容与第二电感和第五电感串联，第四电容与第四电感串联，第五电容与第二电感和第二电容并联。
12.进一步，恒流恒压切换网络包括恒压电容、恒流电容、开关、第六电感和第七电感，恒压电容和恒流电容并联，且相交于两个连接点，其中一个连接点通过第六电感与副边阻抗匹配网络连接；通过第七电感与整流电路连接；另一连接点分别与副边阻抗匹配网络和整流电路连接，开关与恒压电容串联。
13.进一步，原边阻抗匹配网络包括原边s阻抗匹配网络和原边t型阻抗匹配网络，第一电容为原边s阻抗匹配网络的补偿电容c
x
和原边t型阻抗匹配网络的补偿电感l
x
的等效器件，第一电容的阻抗满足下式：
[0014][0015]
其中，是第一电容的阻抗，是补偿电容c
x
的阻抗，是补偿电感l
x
的阻抗。
[0016]
本发明还公开了一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电方法，采用上述任一项基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，包括以下步骤：分析复合结构的输出特性，获得其具有与负载无关并在预设偏移下恒定的输出；在恒定的输出的基础上，分析恒流恒压切换网络的特性，获得恒流模式和恒压模式的电压或电流增益；调节参数，结合恒流电容和恒压电容的电压或电流增益，使复合结构在预设增益偏差δ范围内恒压输出，并且在开关的作用下完成恒流模式到恒压模式转换。
[0017]
进一步，获得恒流模式和恒压模式的电压或电流增益的方法为：恒流恒压切换网络为可重构拓扑结构，当开关s断开时，可重构拓扑结构工作在恒流模式下，电流增益为g
cc
＝-jωcc；当开关s闭合时，可重构拓扑结构工作在恒压模式下，电压增益为g
cv
＝1；无线电能传输装置当开关s断开时，无线电能传输装置的电流增益g
vi
为：
[0018][0019]
当开关s闭合时，无线电能传输装置的电压增益为g
vv
：
[0020][0021]
其中，ω为角频率，cc为恒流电阻，j为虚数符号，m
12
是第一电感和第二电感的互感，m
34
是第三电感和第四电感的互感，l5是第五电感，l
x
是原边t型阻抗匹配网络的补偿电
和第三电感l3与原边阻抗匹配网络连接，第二电感l2和第四电感l4与副边阻抗匹配网络连接。第一电感l1和第三电感l3串联，第二电感l2和第四电感l4并联。图1中m
12
是第一电感l1和第二电感l2的互感，m
13
是第一电感l1和第三电感l3的互感，m
14
是第一电感l1和第四电感l4的互感，m
23
是第二电感l2和第三电感l3的互感；m
24
是第二电感l2和第四电感l4的互感；m
34
是第三电感l3和第四电感l4的互感。
[0035]
原边阻抗匹配网络包括第一电容c1、第三电容c3和第六电容c6，其中第一电容c1的输入端连接高频全桥逆变电路，第一电容c1依次与第一电感l1、第三电容c3和第三电感l3串联，第三电感l3的输出端连接高频全桥逆变电路，第六电容c6与第三电容c3和第三电感l3并联。
[0036]
原边阻抗匹配网络包括原边s阻抗匹配网络和原边t型阻抗匹配网络，第一电容c1为原边s阻抗匹配网络的补偿电容c
x
和原边t型阻抗匹配网络的补偿电感l
x
的等效器件，第一电容c1的阻抗满足下式：
[0037][0038]
其中，是第一电容c1的阻抗，是补偿电容c
x
的阻抗，是补偿电感l
x
的阻抗。
[0039]
如图2所示，原边阻抗匹配网络包括第一补偿器件x1、第三补偿器件x3、第七补偿器件x7和第八补偿器件x8，耦合线圈包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3和第四电感l4，副边阻抗匹配网络包括第二补偿器件x2、第四补偿器件x4、第五补偿器件x5和第六补偿器件x6。原边阻抗匹配网络、耦合线圈和副边阻抗匹配网络构成了原边串联、副边并联的复合结构。第一补偿器件x1与第一电感l1构成原边s型阻抗匹配网络，其等效阻抗为z1；第三补偿器件x3、第七补偿器件x7、第八补偿器件x8和第三电感l3构成原边t型阻抗匹配网络的三个臂，原边t型阻抗匹配网络的各个桥臂的等效阻抗的模值为z3；第二补偿器件x2、第四补偿器件x4、第六补偿器件x6和第二电感l2构成副边t型阻抗匹配网络的三个臂，副边t型阻抗匹配网络的各个桥臂的等效阻抗的模值为z2；第四补偿器件x4与第四电感l4构成副边s型阻抗匹配网络，其等效阻抗为z4。u
in
为角频率为ω的输入电压，i
in
为输出电流，r
ef
为等效负载，u
ef
和i
ef
分别为等效负载r
ef
两端的电压和电流，z
m_12
为第一电感l1和第二电感l2之间的互阻抗，z
m_34
为第三电感l3和第四电感l4之间的互阻抗。根据ddq线圈的特性，第一电感l1和第二电感l2之间的互感、第一电感l1和第四电感l4之间的互感，第三电感l3和第二电感l2之间的互感，第二电感l2和第四电感l4之间的互感可以忽略。
[0040]
副边阻抗匹配网络包括第二电容c2、第四电容c4、第五电容c5和第五电感l5，其中第二电容c2与第二电感l2和第五电感l5串联，第四电容c4与第四电感l4串联，第五电容c5与第二电感l2和第二电容c2并联。
[0041]
如图3所示，恒流恒压切换网络包括恒压电容cv、恒流电容cc、开关s、第六电感l
l
和第七电感lc，恒压电容cv和恒流电容cc并联，且相交于两个连接点，其中一个连接点通过第六电感l
l
与副边阻抗匹配网络连接；通过第七电感lc与整流电路连接；另一连接点分别与副边阻抗匹配网络和整流电路连接，开关s与恒压电容cv串联。
[0042]
实施例二
[0043]
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充
电方法，采用上述任一项基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，包括以下步骤：
[0044]
s1分析复合结构的输出特性，获得其具有与负载无关并在预设偏移下恒定的输出；
[0045]
s2在恒定的输出的基础上，分析恒流恒压切换网络的特性，获得恒流模式和恒压模式的电压或电流增益；
[0046]
获得恒流模式和恒压模式的电压或电流增益的方法为：恒流恒压切换网络为可重构拓扑结构，当开关s断开时，可重构拓扑结构工作在恒流模式下，电流增益为g
cc
＝-jωcc；当开关s闭合时，可重构拓扑结构工作在恒压模式下，电压增益为g
cv
＝1；无线电能传输装置当开关s断开时，无线电能传输装置的电流增益g
vi
为：
[0047][0048]
当开关s闭合时，无线电能传输装置的电压增益为g
vv
：
[0049][0050]
其中，ω为角频率，cc为恒流电阻，j为虚数符号，m
12
是第一电感l1和第二电感l2的互感，m
34
是第三电感l3和第四电感l4的互感，l5是第五电感，l
x
是原边t型阻抗匹配网络的补偿电感l
x
的阻抗。
[0051]
根据基尔霍夫定律，可以求得复合结构的电压增益为
[0052][0053]
结果表明，该混合拓扑的输出电压与负载无关，当线圈错位时，z
m_12
和z
m_34
减小，导致z
m_12
/z2减小，z3/z
m_34
增大。如果参数选择得当，通过抵消z
m_12
和z
m_34
增减的影响，电压增益gv可以在一定范围内保持恒定。
[0054]
等效输入阻抗可以为：
[0055][0056]
根据输入阻抗，可得该为纯电阻，电流和电压可以实现零相位(zpa)。
[0057]
如图3所示，第六电感l
l
、第七电感lc、恒流电容cc、恒压电容cv和开关s构成实现充电模式由恒流向恒压切换的可重构拓扑结构，电容cz为恒流电容cc和恒压电容cv并联后的等效电容。在可重构拓扑结构中，各个元器件的阻抗有如下关系；
[0058][0059]
当开关s断开的情况下，电路工作在恒流模式下，可重构拓扑的电流增益为
[0060][0061]
当开关s闭合的情况下，电路工作在恒压模式下，可重构拓扑的电压增益为：
[0062][0063]
将图2中的复合结构与图3中的可重构拓扑结构结合，得到如图1所示完整电路，其
中第一电容c1为第一补偿器件x1和第七补偿器件x7的等效电容，其中第一补偿器件x1为电容c
x
，第七补偿器件x7为补偿电感l
x
。
[0064]
当开关s断开的情况下，电路运行在恒流模式下，完整电路的电流增益为：
[0065][0066]
当开关s闭合的情况下，电路运行在恒压模式下，完整电路的电压增益为：
[0067][0068]
完整电路中，恒定电压源的电压为，负载两端电流i
l
和电压u
l
可以表示为：
[0069][0070]
根据线圈的偏移特性，当线圈发生偏移时，m
12
和m
34
在一定范围内呈线性关系，两者的关系可以表示为
[0071]m12
＝am
34
+b
ꢀꢀꢀ
(9)
[0072]
s3调节参数，结合恒流电容cc和恒压电容cv的电压或电流增益，使复合结构在预设增益偏差δ范围内恒压输出，并且在开关s的作用下完成恒流模式到恒压模式转换。
[0073]
调节参数的过程如下：
[0074]
原边t型阻抗匹配网络的第五电感l5的值由式(10)确定：
[0075][0076]
其中，
[0077]
补偿电感l
x
的值由式(11)确定：
[0078][0079]
第二电容c2和第五电容c5的值可以由式(12)确定：
[0080][0081]
第三电容c3、第六电容c6的值可以由式(13)确定：
[0082][0083]
原边s阻抗匹配网络的补偿电容c
x
的值可以由式(14)确定：
[0084][0085]
第一电容c1的值可以由式(15)确定：
[0086][0087]
第四电容c4的值可以由式(16)确定：
[0088][0089]
恒流电容cc的值可以由式(14)确定：
[0090][0091]
第六电感l
l
、第七电感lc和恒流电容cv的值可以由式(3)确定。
[0092]
完成恒流模式到恒压模式切换的方法为：开关s断开，在恒流模式下充电，通过副边的控制系统监测电池电压；判断充电模式是否需要切换，若是进入下一步；监测开关支路的电流，判断其是否为零，若不为零，则继续监测，若为零，则进入下一步；闭合开关s，检查开关s是否实际闭合，若否则返回上一步，若是则开始在恒压模式下充电。
[0093]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
技术特征：1.一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，包括：高频全桥逆变电路、原边阻抗匹配网络、耦合线圈、副边阻抗匹配网络、恒流恒压切换网络和整流电路；高频全桥逆变电路连接恒定电压源，所述高频全桥逆变电路连接原边阻抗匹配网络，所述原边阻抗匹配网络经过耦合线圈与副边阻抗匹配网络连接，所述副边阻抗匹配网络连接恒流恒压切换网络，所述恒流恒压切换网络通过整流电路与负载相连；所述恒流恒压切换网络包括恒流电容、恒压电容和开关，所述恒流电容和恒压电容并联，所述开关与恒压电容串联，通过所述开关的开闭，实现恒流和恒压充电模式的切换。2.如权利要求1所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，所述耦合线圈包括第一电感、第二电感、第三电感和第四电感，其中第一电感和第三电感与所述原边阻抗匹配网络连接，所述第二电感和第四电感与所述副边阻抗匹配网络连接。3.如权利要求2所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，所述第一电感和第三电感串联，所述第二电感和第四电感并联。4.如权利要求2所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，所述原边阻抗匹配网络包括第一电容、第三电容和第六电容，其中第一电容的输入端连接高频全桥逆变电路，所述第一电容依次与所述第一电感、第三电容和第三电感串联，所述第三电感的输出端连接所述高频全桥逆变电路，所述第六电容与所述第三电容和第三电感并联。5.如权利要求2所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，所述副边阻抗匹配网络包括第二电容、第四电容、第五电容和第五电感，其中第二电容与第二电感和第五电感串联，第四电容与第四电感串联，所述第五电容与所述第二电感和第二电容并联。6.如权利要求2所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，所述恒流恒压切换网络还包括第六电感和第七电感，所述恒压电容和恒流电容并联，且相交于两个连接点，其中一个连接点通过第六电感与所述副边阻抗匹配网络连接；通过第七电感与整流电路连接；另一连接点分别与所述副边阻抗匹配网络和整流电路连接。7.如权利要求1所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，其特征在于，所述原边阻抗匹配网络包括原边s阻抗匹配网络和原边t型阻抗匹配网络，所述第一电容为原边s阻抗匹配网络的补偿电容c
x
和原边t型阻抗匹配网络的补偿电感l
x
的等效器件，所述第一电容的阻抗满足下式：其中，是第一电容的阻抗，是补偿电容c
x
的阻抗，是补偿电感l
x
的阻抗。8.一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置，包括以下步骤：分析所述复合结构的输出特性，获得其具有与负载无关并在预设偏移下恒定的输出；在所述恒定的输出的基础上，分析恒流恒压切换网络的特性，获得恒流模式和恒压模式的电压或电流增益；调节参数，结合恒流电容和恒压电容的电压或电流增益，使复合结构在预设增益偏差δ范围内恒压输出，并且在开关的作用下完成恒流模式到恒压模式切换。9.如权利要求8所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电方法，其特征在于，所述
获得恒流模式和恒压模式的电压或电流增益的方法为：所述恒流恒压切换网络为可重构拓扑结构，当开关s断开时，所述可重构拓扑结构工作在恒流模式下，电流增益为g
cc
＝-jωc
c
；当开关s闭合时，所述可重构拓扑结构工作在恒压模式下，电压增益为g
cv
＝1；所述无线电能传输装置当开关s断开时，所述无线电能传输装置的电流增益g
vi
为：当开关s闭合时，所述无线电能传输装置的电压增益为g
vv
：其中，ω为角频率，c
c
为恒流电阻，j为虚数符号，m
12
是第一电感和第二电感的互感，m
34
是第三电感和第四电感的互感，l5是第五电感，l
x
是原边t型阻抗匹配网络的补偿电感l
x
的阻抗。10.如权利要求8所述的基于复合结构的恒流恒压切换无线充电方法，其特征在于，所述完成恒流模式到恒压模式切换的方法为：开关s断开，在恒流模式下充电，通过副边的控制系统监测电池电压；判断充电模式是否需要切换，若是进入下一步；监测开关支路的电流，判断其是否为零，若不为零，则继续监测，若为零，则进入下一步；闭合开关s，检查开关s是否实际闭合，若否则返回上一步，若是则开始在恒压模式下充电。
技术总结本发明属于电动汽车技术领域，涉及一种基于复合结构的恒流恒压切换无线充电装置和方法，包括：高频全桥逆变电路、原边阻抗匹配网络、耦合线圈、副边阻抗匹配网络、恒流恒压切换网络和整流电路；高频全桥逆变电路连接恒定电压源，高频全桥逆变电路连接原边阻抗匹配网络，原边阻抗匹配网络经过耦合线圈与副边阻抗匹配网络连接，副边阻抗匹配网络连接恒流恒压切换网络，恒流恒压切换网络通过整流电路与负载相连；恒流恒压切换网络包括恒流电容、恒压电容和开关，通过开关的开闭，实现恒流电容和恒压电容的切换。其运用一个开关，在系统偏移的情况下，满足恒流和恒压模式的切换，且设计方法简单，输出稳定。输出稳定。输出稳定。
技术研发人员：吉莉 张明 孙红军 钱步仁 曹旭东 朱丽萍 魏学良
受保护的技术使用者：中国石油大学（北京）
技术研发日：2022.05.05
技术公布日：2022/7/5
