一种恒压恒流输出三线圈WPT系统

本发明涉及无线电能传输，特别是一种恒压恒流输出三线圈wpt系统。

背景技术：

1、无线电能传输技术是一种借助空间介质将电能从一个线圈传递到另一线圈的技术，已经成为国内外众多学者得研究对象。无线电能传输技术已经运用到众多领域，如手机无线充电、电力检测设备无线充电和汽车无线充电等，一般情况下，负载仅需恒流或者恒压输出中一种充电形式即可，但是为延长蓄电池使用寿命和安全快速充电，需要对其分阶段恒压恒流充电。目前无线电能传输的电路拓扑大多是串串(s-s)、串并(s-p)、并并(p-p)、并串(p-s)四种拓扑类型包括这四种拓扑演变而来的更多拓扑，如lcc-s、lcc-lcc、lcl-s和lcl-lcl等拓扑结构，这些拓扑结构都用于发出和接受两线圈拓扑电路中。但是现实中无线电能传输技术的使用两线圈之间的距离要求较高，两线圈间距需达到一定距离且此距离一般比现实需要近得多，所以线圈间距问题是目前无线电能传输技术需要解决的重要问题。

2、现行的无线充电系统大多实现两线圈单模式充电，且拓扑结构中各参数计算较繁琐，难以达到与输出负载阻值无关。所以一种能达到与负载阻值无关的无线充电系统是需要解决的重要问题。

3、目前已研究的三线圈结构中特别是中继线圈对输入电源依赖过高，并不是一个独立运行的模块，易受到外部输入干扰其作用。因此需要解决中继线圈对输入电源的高依赖性，使其不会因为输入的改变而改变运行特性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种恒压恒流输出三线圈wpt系统，解决了两种拓扑结构在相同输入下分别实现无线充电的恒流和恒压输出的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种恒压恒流输出三线圈wpt系统，包括包括发出模块、中继模块和接收模块，发出模块连接电源并通过发出线圈发送电能，中继模块既接收来自发出模块发出的电能又向接收模块传输电能，接收模块接收来自中继模块发出的电能并传输至负载，实现负载的充电；

3、所述发出模块包括直流电源、逆变模块、原边补偿模块和发出线圈。

4、所述中继模块包括中继补偿模块和中继线圈。

5、所述接收模块包括接收线圈、副边补偿模块、整流滤波模块和负载。

6、所述负载为需充电的设备，将其等效为电阻rb。

7、优选的，所述直流电源用以像系统注入电能；并且其电压值可随需要改变，但改变值需与负载额定电压值相匹配。

8、所述逆变模块包括q1～q4四个功率mosfet组成的高频全桥逆变电路，用以将低压直流电逆变为高频低压交流电，使其能够通过线圈间的磁耦合原理传输至接收模块；

9、所述原边补偿模块包括恒流补偿模块或恒压补偿模块，通过选择不同的模块接入电路实现电路恒流或恒压输出，恒流补偿模块为s-s-s型线电能传输系统，恒压补偿模块为lcc-s-s型无线电能传输系统；本发明将分别计算横流补偿模块接入和恒压补偿模块接入时的电路运行特性。

10、所述发出线圈为线圈和等效线圈内阻；在电路中是电能无线传输的重要部分。

11、所述中继补偿模块包括补偿电容，用以提高电路有功功率，减少能量损耗；

12、所述中继线圈包括线圈和等效线圈内阻；用以接收来自发出线圈的电能，并将此部分电能发送至接收线圈。

13、所述接收线圈包括线圈和等效线圈内阻，用以接收来自中继线圈电能；

14、所述整流滤波模块包括由d1～d4的四个肖特基二极管组成的全桥整流电路和输出滤波电容，全桥整流电路将接收线圈感应到的交流电整流成直流电向负载输出，输出滤波电容使输出的电压为稳定的直流电压。

15、优选的，直流电源与逆变模块中高频全桥逆变电路输入端并联，逆变模块输出端的一端与原边补偿模块串联连接再与发出线圈串联连接形成发射侧回路；中继模块中的中继线圈和中继补偿模块相串联形成中继回路；接收线圈和副边补偿模块串联并与整流滤波模块输入端并联，整流滤波模块输出端与负载并联形成接收侧回路。

16、优选的，系统的工作步骤如下：

17、s1、根据s-s-s型或lcc-s-s型无线电能传输系统拓扑电路结构，确定拓扑电路中发出模块、中继模块和接收模块的等效电路；

18、所述s-s-s型无线电能传输系统拓扑电路即为恒流补偿模块接入电路下系统实现恒流输出的情况，lcc-s-s型无限电能传输系统拓扑电路即为恒压补偿模块接入电路下系统实现恒压输出的情况；

19、s2、根据s1中各模块等效电路和电流正方向，利用基尔霍夫电压定律(kvl)列写各模块等效电路的电压方程；

20、s3、求解s2中所列等效电路的电压方程得到各模块等效电路的电流方程，进一步得到系统输入阻抗和电压增益方程；

21、s4、根据s3中输入阻抗方程，利用电路谐振原理确定谐振情况下系统纯电阻输入的谐振条件；

22、s5、确定在s4中谐振条件下系统输入阻抗和电压增益。

23、优选的，所述步骤s1中确定拓扑电路中发出模块、中继模块和接收模块的等效电路包括以下电路包括以下步骤：

24、s11、将系统输入直流电源电压u1等效为经过全桥逆变电路后的电压u4。将系统输出电压ub等效为经过全桥整流电路之前的电压u3，将系统输出端负载rb等效为经过全桥整流电路之前的等效电阻req；

25、所述u4由式(1)决定，式中得到的经过全桥逆变电路后的电压为相量值，其有效值由式(2)决定，式中u2与u4均为经过全桥逆变电路后的电压有效值；根据全桥整流电路输入输出电压电流特性，分析时针对全桥整流电路输入电压电流分析即可；所述经过全桥整流电路之前的等效电阻req由式(3)决定，

26、

27、

28、

29、式中d为u4的传导占空比，ω为角频率，且有ω＝2πf；

30、s12、确定各回路中电流参考方向，电源电压极性；

31、s13、将各回路补偿电感、补偿电容和线圈分别等效为相应阻抗，各线圈间互感等效为相应电流控制电压源；

32、s14、连接以上各回路中等效元件。

33、优选的，对于s-s-s型无线电能传输系统拓扑电路，恒流补偿模块接入电路时根据步骤s1中得到的各模块等效电路，当系统输入阻抗为纯阻性时由式(4)条件决定，当系统跨导增益与负载无关时即由式(5)决定

34、z2z3+ω2m232＝0    (4)

35、z1z2+ω2m122＝0    (5)

36、式中z1、z2和z3为各等效回路中补偿电容电感和线圈的等效阻抗和，式中m12、m13、m23分别为发出线圈和中继线圈互感、发出线圈和接收线圈互感、中继线圈和接收线圈互感；

37、当系统满足上述条件时，系统输入纯阻性阻抗zin由式(6)决定，与系统负载无关的跨导增益g(ωcc)由式(7)决定

38、

39、

40、优选的，对于lcc-s-s型无线电能传输系统拓扑电路，恒压补偿模块接入电路时，根据步骤s1中得到的各模块等效电路，在恒压模式的t网络中，根据谐振原理，欲使系统实现恒压输出则使恒压补偿电感ln1和恒压补偿电容cn1谐振，即zn+zc＝0；

41、式中zn为恒压补偿电感ln1阻抗，zc为恒压补偿电容cn1阻抗；

42、当系统输入阻抗为纯阻性时，有式(8)条件决定，当系统电压增益为常数时，有式(9)条件决定；

43、z1z2+zcz2＝0    (8)

44、z32z2zc+ω2m232zcz3+j2ω3m23m12m13z3-ω2m132z2z3-ω2m122z32＝0    (9)

45、式中z1为发出模块中基础补偿电容cs和线圈l1阻抗和，z2和z3分别为中继模块和接收模块基础补偿电容和线圈阻抗和；

46、当系统满足上述条件时，系统输入电阻和电压增益如式(10)所示：

47、

48、式中b22为计算算子，由式(11)决定

49、b22＝z2z3zc-ω2m122z3    (11)。

50、本发明考虑的线路较短，因此忽略线路电阻的影响。接入不同得原边补偿模块可以实现恒压或恒流输出，但是需要设置相应的电路参数和合适的输入电压值，其中电路补偿参数可依实际线圈参数由上述计算结果求得。

51、本发明提供一种恒压恒流输出三线圈wpt系统，具有以下有益效果：

52、(1)本发明所研究的s-s-s型无线电能传输系统和lcc-s-s型无线电能传输系统均采用三线圈结构，可以有效增大发出线圈和接收线圈间距，相对于两线圈结构系统更稳定，传输距离更大。

53、(2)本发明所研究的s-s-s型无线电能传输系统和lcc-s-s型无线电能传输系统中各补偿元件均为简单元件，且元件特性可以通过上述计算结果相互代入求解，计算简单。

54、(3)本发明所研究的s-s-s型无线电能传输系统和lcc-s-s型无线电能传输系统能够分别实现恒流输出和恒压输出两种运行模式，且不受接受负载阻值的影响，只与电路中各补偿原件和输入电源有关。此外，上述两种运行模式正常运行时输入阻抗为纯阻性，系统电压增益为常数，系统能够实现零相位角运行。