一种混合型无线电能传输系统

本技术涉及无线充电的，具体来说，是一种混合型无线电能传输系统。

背景技术：

1、无线电能传输技术是指通过无线电能传输耦合装置，将电能从电网或电池端传输到用电设备中。无线电能传输技术相比于传统的插拔式供电，不存在连接件的老化问题，具有更高的安全性，并且无线电能传输技术空间灵活、使用便捷，在消费类电子产品领域、矿冶、化工等行业已经获得了广泛的运用。

2、常见的无线电能传输技术有电磁感应式无线电能传输技术以及电场耦合式无线电能传输技术，其中，电磁感应式无线电能传输技术采用一组可分离的感应线圈作为耦合装置，由于其发射线圈和接收线圈处于松耦合状态，线圈中存在较大的无功功率，为了消除无线电能传输系统中的无功功率，则需要在系统中添加无功补偿元件，提升无线电能传输系统的电能传输效率。

3、传统的无线电能传输系统补偿网络一般只能满足无线电能传输系统输出恒定的电压或者恒定的电流，以常见的蓄电池为例，为了保证电池的性能和寿命，一般对蓄电池采用恒流-恒压充电方式。在这样的情况下，为了满足多场景应用，传统的无线电能传输系统许多增加额外的阻抗匹配网络，进而使系统能够实现多种输出模式，但是此时系统的成本与体积则会大幅增加，导致无线电能传输系统的应用大大受限。

4、为了提高无线电能传输系统的性能，基于多种拓扑的混合型无线电能传输系统，如lcc-lcc/s型、lcl-lc/cl型和lcc/s-s型等，但是，传统的混合型无线电能传输系统存在着控制方式复杂，体积庞大，成本高等缺点。

5、以lcc-lcc/s混合型无线电能传输系统为例，当系统的补偿网络为lcc-lcc型时，系统能够工作在恒流模式；当系统的补偿网络为lcc-s型时，系统能够工作在恒压模式，该系统采用单边拓扑切换电路，但是在系统中使用了较多的被动补偿元件，系统体积大、成本高、器件复用率低；

6、类似地，lcc/s-s混合型补偿网络能够使用较少的元件实现恒流-恒压模式的切换，由于拓扑切换电路放置在发射端，系统不可避免的需要使用双边通信模块，这样会增加系统控制失败的风险。

7、因此，有必要研究高效率、低成本、高可靠性的混合型无线电能传输系统。

技术实现思路

1、本实用新型提供一种混合型无线电能传输系统，使用较少的被动补偿元件，能够实现系统恒流/恒压工作模式的切换；并且，在常见的混合型无线电能传输系统的基础上，额外配置两种工作模式，包括：强耦合模式，当系统检测到发射线圈与接收线线圈满足强耦合条件时，使用lcc-n型补偿网络传输电能，可以有效地降低系统的损耗；锁止模式，能够在系统发生异常或系统需要待机时，切断电能传输。

2、本实用新型可以通过以下技术方案实现：

3、一种混合型无线电能传输系统，包括处理器、开关切换控制器、发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括依次连接的直流电源、逆变电路、补偿电路和能量发射线圈，所述接收端电路包括依次连接的能量接收线圈、拓扑切换电路、整流电路、滤波电路和负载，所述能量发射线圈和能量接收线圈相互耦合；

4、所述处理器下发控制指令至开关切换控制器，所述开关切换控制器接收控制指令，控制拓扑切换电路中各个开关的导通和断开，以改变接收端电路的拓扑结构，使混合型无线电能传输系统处于不同的工作模式。

5、进一步，所述拓扑切换电路包括连接在一起的第三补偿电容cp和第七开关s7，其中间端通过第六开关s6连接在整流电路的一端，其一侧的两端分别连接在能量接收线圈的两端，其另一侧的一端通过第五开关s5连接在整流电路的一端，其另一侧的另一端连接在整流电路的另一端，

6、还包括连接在滤波电路的滤波电感ld两端的第八开关s8，其中所述滤波电路采用lc滤波电路。

7、进一步，所述工作模式包括锁止模式、强耦合模式和松耦合模式，所述松耦合模式包括恒压充电模式和恒流充电模式，其中强耦合模式对应的混合型无线电能传输系统的耦合系数k≥0.7，松耦合模式对应的混合型无线电能传输系统的耦合系数k<0.7，所述锁止模式对应的混合型无线电能传输系统不工作；

8、所述锁止模式对应的拓扑切换电路中的第五开关s5、第六开关s6、第七开关s7、第八开关s8均断开；

9、所述强耦合模式对应的拓扑切换电路中的第五开关s5导通，第六开关s6断开，第七开关s7断开，第八开关s8导通；

10、所述恒压模式对应的拓扑切换电路中的第五开关s5关断，第六开关s6导通，第七开关s7断开、第八开关s8断开；

11、所述恒流模式对应的拓扑切换电路中的第五开关s5导通，第六开关s6断开，第七开关s7导通，第八开关s8断开。

12、进一步，所述滤波电容cd连接在负载的两端，所述滤波电感ld串联在整流电路和负载之间；

13、所述逆变电路、整流电路均采用全桥式结构；

14、所述补偿电路包括第一补偿电容cf1，所述第一补偿电容cf1并联在能量发射线圈和逆变电路之间，其一端通过第二补偿电容cs1与能量发射线圈的一端连接，还通过第一补偿电感ls1与逆变电路的一个输出端连接。

15、进一步，所述逆变电路中的四个开关管以及第八开关s8均为mosfet或sic；

16、所述第五开关s5、第六开关s6以及第七开关s7均为两个mosfet或igbt组成的交流电子开关。

17、本实用新型有益的技术效果在于：

18、1、使用一组电力电子开关即s5-s8实现了多种无线电能传输系统补偿网络的切换，包括lcc-s(恒压模式)、lcc-p(恒流模式)以及lcc-n(强耦合模式)型补偿网络，能够实现四种工作模式包括锁止模式、恒流输出模式、恒压输出模式以及强耦合模式，满足多种工况下无线电能传输需求，拓展了无线电能传输系统的应用场景。

19、2、副边补偿电路仅包含一个补偿电容，其接收端无功元件(如电感元件)的数量大大减少，降低了系统成本，在对接收端体积有特定的需求的场合具有较大的优势。

20、3、采用了单边拓扑切换电路，接收端可自适应切换系统工作模态，无需进行系统双边通信，提高了系统的可靠性，降低了系统控制失败风险。

21、4、当系统在四种工作模式的任意切换过程中，其副边补偿电容两端的电压与能量接收线圈两端的电压保持相同相位，电容不会因反向电压而受到高强度瞬态冲击，降低了器件损坏的风险，提高了系统的响应速度和可靠性。

技术特征：

1.一种混合型无线电能传输系统，其特征在于：包括处理器、开关切换控制器、发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括依次连接的直流电源、逆变电路、补偿电路和能量发射线圈，所述接收端电路包括依次连接的能量接收线圈、拓扑切换电路、整流电路、滤波电路和负载，所述能量发射线圈和能量接收线圈相互耦合；

2.根据权利要求1所述的混合型无线电能传输系统，其特征在于：所述滤波电容cd连接在负载的两端，所述滤波电感ld串联在整流电路和负载之间；

3.根据权利要求2所述的混合型无线电能传输系统，其特征在于：所述逆变电路中的四个开关管以及第八开关s8均为mosfet或sic；

技术总结
本技术公开了一种混合型无线电能传输系统，包括处理器、开关切换控制器、发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括依次连接的直流电源、逆变电路、补偿电路和能量发射线圈，所述接收端电路包括依次连接的能量接收线圈、拓扑切换电路、整流电路、滤波电路和负载，所述能量发射线圈和能量接收线圈相互耦合；所述处理器下发控制指令至开关切换控制器，所述开关切换控制器接收控制指令，控制拓扑切换电路中各个开关的导通和断开，以改变接收端电路的拓扑结构，使混合型无线电能传输系统处于不同的工作模式。使用单边拓扑切换电路，无需双边通信也能实现系统工作模式的切换，降低控制失败的风险，增加可靠性。

技术研发人员：姚志垒,陈康磊
受保护的技术使用者：上海海事大学
技术研发日：20230518
技术公布日：2024/1/15