具有恒流恒压与抗偏移特性的可重构磁耦合无线充电系统

本发明涉及无线电能传输，具体为一种具有恒流恒压与抗偏移特性的可重构磁耦合无线充电系统。

背景技术：

1、无线电能传输wpt技术凭借电气隔离、无接触、安全便利、环境适应性强等优势，已在自动导引车、变电站巡检机器人、自主水下航行器、无人机、消费电子及新能源电动汽车等领域实现了规模化应用与深度产业化推广。在实际工程场景中，受定位误差、行驶路径偏移、对接姿态波动等因素影响，wpt系统的发射端与接收端不可避免地会出现横向、纵向、旋转等多维度的位置偏移，进而导致耦合线圈间的互感与耦合系数大幅变化，引发系统输出功率失稳、传输效率骤降、谐振工作点偏移等一系列问题。

2、应用场景中广泛使用的锂离子电池，其安全充电过程严格遵循先恒流、后恒压的两阶段充电曲线，若输出电流/电压偏离额定范围，不仅会降低充电效率，还会造成电池过充过热，严重影响电池的循环使用寿命与使用安全。为了实现无线充电系统的恒流恒压与抗偏移特性，国内外专家学者们做了许多研究。

3、“a misalignment-insensitive hybrid reconfigurable wireless chargingsystem for constant-voltage and constant-current outputs based on a novelbipolar coil symmetrical to two perpendicular directions”【《ieee transactionson power electronics》，2024，39(12)：16904-16915】（“基于双向对称新型双极线圈的抗偏移混合可重构恒流恒压无线充电系统”《ieee电力电子学汇刊》）提出了一种新型双向对称双极线圈与传统单极线圈组合的磁耦合结构，并设计了混合可重构拓扑，可在恒流与恒压输出模式间自由切换，同时利用两种拓扑输出随互感变化的相反趋势，实现了x、y两个垂直方向的对称抗偏移特性，但系统的体积和重量较大，成本较高，控制复杂。

4、“3-d misalignment tolerant e-scooter ipt system with hybrid controlbased on three-coil design for load-independent cc/cv outputs”【《ieeetransactions on transportation electrification》，2024，10(4)：9163-9177】（“基于三线圈设计实现负载无关恒流恒压输出的三维抗偏移电动滑板车感应电能传输系统”《ieee交通电气化汇刊》）提出了一种基于反串联三线圈松耦合变压器的混合控制策略，通过半桥整流器实现ds-lcc与lcc-s拓扑的无源元件重构，分别对应恒流与恒压输出模式，采用铁氧体优化设计，解决了水平方向抗偏移问题，实现了开关管零电压开通，但是线圈损耗和整流器损耗较高。

5、“research and design of misalignment-tolerant lcc–lcc compensated iptsystem with constant-current and constant-voltage output”【《ieee transactionson power electronics》，2023，38(1)：1301-1313】（“具有恒流恒压输出的抗偏移lcc–lcc补偿感应电能传输系统研究与设计”《ieee电力电子汇刊》）提出了一种无需任何辅助线圈、补偿元件或有源开关的lcc-lcc补偿拓扑参数设计方法，通过精确配置补偿网络参数，使恒流和恒压模式的谐振频率均与耦合系数完全无关，仅采用传统原边移相控制补偿耦合系数变化带来的输出波动，但是系统整体效率偏低，需要依赖移相控制进行补偿。

6、现有技术中，实现wpt系统抗偏移特性主要通过磁耦合机构优化、补偿拓扑创新、多通道多频协同设计等方式，但多数方案仅能实现单一恒流或恒压输出模式下的抗偏移特性，难以在电池充电的全阶段实现宽范围偏移下的恒流/恒压稳定输出；双通道与多频拓扑虽能有效拓宽抗偏移范围，但普遍存在通道间交叉耦合干扰、系统体积与重量大、参数设计复杂度高等问题；部分抗偏移方案依赖复杂的有源控制与原副边实时通信，不仅增加了系统的硬件成本，还降低了系统的运行可靠性与工程实用性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有技术中难以同时实现电池全充电阶段恒流/恒压稳定输出与宽范围抗偏移能力、控制复杂、依赖原副边通信的问题。本发明提供了一种具有恒流恒压与抗偏移特性的可重构磁耦合无线充电系统及控制方法，通过拓扑重构实现电池充电全阶段的恒流/恒压稳定输出，同时具备宽范围抗偏移能力，无需原副边通信，控制简单。

2、本发明的技术方案如下。

3、一种具有恒流恒压与抗偏移特性的可重构磁耦合无线充电系统，包括直流电源、全桥逆变器、开关单元、发射侧谐振电路、接收侧谐振电路、等效负载和控制器；所述等效负载包括依次并联的整流器、输出滤波电容

cl与负载电阻

rl整流器的输入端接接收侧谐振电路的输出端；

4、所述全桥逆变器由四个带反并联二极管的开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4组成；其中，开关管q1的源极与开关管q3的漏极相连组成桥臂1；开关管q2的源极与开关管q4的漏极相连组成桥臂2，桥臂2与桥臂1并联在直流电源的正负母线之间；

5、所述开关单元包括开关s和两个触点，开关s的一端接入开关管q1的源极，另一端根据切换模式分别与两个触点相连/断开，所述切换模式包括sp型补偿拓扑和ss型补偿拓扑；

6、所述发射侧谐振电路包括第一发射线圈自感

lt-cc、第一发射侧补偿电容

ct-cc、第二发射线圈自感

lt-cv和第二发射侧补偿电容

ct-cv，其中，第一发射侧补偿电容

ct-cc的一端与触点1相连/断开，另一端接第一发射线圈自感

lt-cc；第二发射侧补偿电容

ct-cv的一端与触点2相连/断开，另一端接第二发射线圈自感

lt-cv；第一发射线圈自感

lt-cc的另一端、第二发射线圈自感

lt-cv的另一端接开关管q4的漏极；

7、所述接收侧谐振电路包括第一接收线圈自感

lr-cc、第一接收侧补偿电容

cr-cc、第二接收线圈自感

lr-cv和第二接收侧补偿电容

cr-cv，其中，第一接收线圈自感

lr-cc与第一接收侧补偿电容

cr-cc并联，第一接收侧补偿电容

cr-cc的两极构成sp型补偿拓扑的接收侧谐振电路的输出端；第二接收线圈自感

lr-cv与第二接收侧补偿电容

cr-cv串联，第二接收线圈自感

lr-cv的另一端和第二接收侧补偿电容

cr-cv构成ss型补偿拓扑的接收侧谐振电路的输出端；

8、当系统处于恒流充电模式时，开关s与触点1闭合，与触点2断开，第一发射线圈自感

lt-cc与第一接收线圈自感

lr-cc磁耦合，构成sp型补偿拓扑；当系统处于恒压充电模式时，开关s与触点2闭合，与触点1断开，第二发射线圈自感

lt-cv与第二接收线圈自感

lr-cv磁耦合，切换为ss型补偿拓扑。

9、优选地，所述控制器包括依次连接的过零比较器、电流采样模块、dsp处理器和驱动电路；所述电流采样模块用于采样全桥逆变器输出的正弦电流信号；所述过零比较器将采样得到的正弦电流信号转换为同相的方波同步信号；所述dsp处理器根据所述方波同步信号生成占空比为50%的互补pwm信号，并经驱动电路控制全桥逆变器的开关管，实现全桥逆变器侧零相位角运行，并将全桥逆变器等效为负电阻

rn。

10、所述控制器的输入端与全桥逆变器中的开关管q4的漏极连接，输出端与开关s和全桥逆变器4个开关管的栅极连接。

11、优选地，所述dsp处理器还用于判断充电模式，并输出控制信号至所述开关单元s进行模式切换，具体过程为：在恒流充电模式时，检测第一发射侧补偿电容

ct-cc两端的电压，当该电压达到预设的恒压模式切换电压时，控制开关s切换至恒压充电模式；在恒压充电模式下，检测第二发射线圈

lt-cv中的电流，当该电流降至预设的充电截止电流时，控制全桥逆变器停止工作。

12、优选地，两个接收侧补偿电容的容值和两个接收侧线圈自感的电感值的选择满足：恒流充电模式与恒压充电模式的临界耦合系数相等，以实现两种模式的工作范围一致；所述两个发射线圈自感的电感值的选择满足：使恒流充电模式的最大输出电压与恒压充电模式的恒定输出电压相等，以实现两种模式的平滑切换。

13、优选地，该系统在控制器的控制下，按照以下步骤完成一个充电-结束的流程：

14、步骤1，系统启动后，开关s默认切换至触点1，系统工作在恒流充电模式；

15、步骤2，采样全桥逆变器输出的正弦电流信号，生成与正弦电流信号同相的pwm信号控制全桥逆变器，实现零相位角运行；

16、步骤3，在恒流充电模式下，检测第一发射侧补偿电容

ct-cc两端的电压，当该电压达到预设的恒压模式切换电压时，执行步骤4；否则，保持恒流充电模式运行；

17、步骤4，开关s切换至触点2，系统进入恒压充电模式；

18、步骤5，在恒压充电模式下，检测第二发射线圈

lt-cv中的电流，当该电流降至预设的充电截止电流时，执行步骤6；否则，保持恒压模式运行；

19、步骤6，全桥逆变器停止工作，充电过程结束。

20、相对于现有技术，本发明至少具备以下有益效果：

21、1.本发明能够通过sp与ss拓扑的重构切换，实现电池充电全阶段的恒流/恒压稳定输出，且在强耦合区域内输出特性与负载阻值、耦合系数无关。

22、2.本发明仅通过检测发射侧补偿电容电压和发射线圈电流即可实现模式切换与输出状态判断，无需原副边通信，大幅简化了系统结构，降低了硬件成本，提高了运行可靠性。

23、3.本发明全程实现逆变器侧零相位角运行，有效降低了系统的无功损耗，能量利用率高。

24、4.本发明采用自激振荡零相位角控制策略，无需复杂的频率跟踪算法和闭环控制，dsp资源占用少，响应速度快，控制简单。