本发明涉及兼具恒压及恒流输出的无线能量传输系统，属于无线电能传输技术领域。
背景技术：
目前的无线电能传输技术已应用到诸多领域，如手机、机器人、自动导引车等无线充电设备，这些无线充电系统的负载均为可充电电池。目前，负载为电池的无线电能传输系统，其设计存在着一个主要技术难题。
电池的充电方式与普通负载不同，一般负载为恒流或恒压供电模式，而以电池作为负载的系统同时包含恒压以及恒流两种充电过程。以恒流转恒压充电为例：首先，采用恒定电流对电池充电，此时电池端电压将持续升高，当达到上限电压时，恒流充电阶段结束；当电池电压达到上限值后，电池已经充进约85％的电量，此后，需要以恒定电压继续对电池进行充电。以恒定电压对电池充电时，电池电压维持不变，充电电流将逐渐减小，当其下降到一定程度时，电池充满，充电结束。这种充电过程需要在无线充电系统的设计中，增加复杂的恒流转恒压充电控制器，以实时监测电池的充电状态，从而根据监测结果调整系统的充电模式。这不仅增加了系统的复杂性，还增加了系统损耗，降低了系统转换效率。
为了提高系统电能转化效率以及简化控制流程，实际应用中希望设计一种能够通过系统自身特性，来调整输出方式的无线电能传输系统。从而提高系统对不同种类、不同型号负载的适应性。也就是说希望系统本身能够兼具多种输出方式，只需改变其中某一参数，即可实现恒压输出与恒流输出的相互转换。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决现有无线电能传输系统在恒压以及恒流输出的转换过程中需要专门的控制器配合实现，增加系统复杂性并增加损耗的问题，提供了一种兼具恒压及恒流输出的无线能量传输系统。
本发明所述兼具恒压及恒流输出的无线能量传输系统，它包括可变频逆变电源、多谐振原边补偿拓扑、耦合机构、多谐振副边补偿拓扑、整流电路和状态识别及频率控制器，
可变频逆变电源的输出端连接多谐振原边补偿拓扑的输入端，多谐振原边补偿拓扑的输出端连接耦合机构的原边线圈，耦合机构的副边线圈输出端连接多谐振副边补偿拓扑的输入端，多谐振副边补偿拓扑的输出端连接整流电路的输入端，整流电路的输出端连接负载的输入端；
所述状态识别及频率控制器用于检测负载的充电状态，并根据负载的充电状态控制可变频逆变电源的输出频率。
所述多谐振原边补偿拓扑包括lcc补偿拓扑、lc补偿拓扑或复合串并联补偿拓扑其中之一。
所述多谐振副边补偿拓扑包括lcc补偿拓扑、lc补偿拓扑或复合串并联补偿拓扑其中之一。
本发明的优点：本发明提供的兼具恒压及恒流输出的无线能量传输系统，适用于定耦合系数的无线电能传输，能以电源输出频率作为变量来实现恒压模式与恒流模式的相互切换，适配于充电过程中包含恒压转恒流充电过程以及恒流转恒压充电过程的系统，其系统工作状态几乎不受负载阻值变化的影响。
本发明结构中，通过使用多谐振补偿网络，使得系统能够在更多的谐振频率下进行无线电能传输，通过系统工作频率的切换，即可改变系统输出模式；它解决了无线电能传输系统设计中，多类型负载的适应性问题，例如可适配于电池、电机、电阻等多型负载。
本发明适用于电池型负载的情况，例如可以是手机无线充电、机器人以及电动汽车无线充电等，它降低了充电系统控制的复杂性，简化了系统电路，能够提高无线电能传输系统的充电效率。
附图说明
图1是本发明所述兼具恒压及恒流输出的无线能量传输系统的原理框图；
图2是本发明采用lcc-lcc补偿网络结构的示例电路图；
图3是图2的等效电路图；
图4是本发明采用lcc-lc补偿网络结构的示例电路图；
图5是本发明采用lcc-ps补偿网络结构的示例电路图；
图6是本发明采用sp-lcc补偿网络结构的示例电路图；
图7是本发明采用sp-lc补偿网络结构的示例电路图；
图8是本发明采用sp-ps补偿网络结构的示例电路图；
图9是本发明采用lc-lcc补偿网络结构的电示例电路图；
图10是本发明采用lc-ps补偿网络结构的示例电路图；
图11是电源在不同工作频率下耦合系数k与传输功率(单位w)的关系图；
附图说明中s代表串联结构，p代表并联结构；简称sp或ps结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明，但本发明不受实施例的限制：
结合图1所示，兼具恒压及恒流输出的无线能量传输系统，它包括可变频逆变电源1、多谐振原边补偿拓扑2、耦合机构3、多谐振副边补偿拓扑4、整流电路5和状态识别及频率控制器6，
可变频逆变电源1的输出端连接多谐振原边补偿拓扑2的输入端，多谐振原边补偿拓扑2的输出端连接耦合机构3的原边线圈，耦合机构3的副边线圈输出端连接多谐振副边补偿拓扑4的输入端，多谐振副边补偿拓扑4的输出端连接整流电路5的输入端，整流电路5的输出端连接负载7的输入端；
所述状态识别及频率控制器6用于检测负载7的充电状态，并根据负载7的充电状态控制可变频逆变电源1的输出频率。
所述的多谐振原边补偿拓扑2设置于耦合机构3的原边绕组端，多谐振副边补偿拓扑4设置于耦合机构3的次级绕组端；所述负载7可以是电池、电机或者电阻。
所述多谐振原边补偿拓扑2包括lcc补偿拓扑、lc补偿拓扑或复合串并联补偿拓扑其中之一。
所述多谐振副边补偿拓扑4包括lcc补偿拓扑、lc补偿拓扑或复合串并联补偿拓扑其中之一。
所述lcc补偿拓扑包括第一电感、第一电容和第二电容；若lcc补偿拓扑为多谐振原边补偿拓扑2，则第一电感的一端连接可变频逆变电源1的第一输出端，第一电感的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接可变频逆变电源1的第二输出端；
第一电感的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端连接耦合机构3原边线圈的一端，耦合机构3原边线圈的另一端连接可变频逆变电源1的第二输出端；
若lcc补偿拓扑为多谐振副边补偿拓扑4，则第一电感的一端连接整流电路5的第一输入端，第一电感的另一端连接第一电容的一端，第一电容的另一端连接整流电路5的第二输入端；
第一电感的另一端连接第二电容的一端，第二电容的另一端连接耦合机构3副边线圈的一端，耦合机构3副边线圈的另一端连接整流电路5的第二输入端。
所述lc补偿拓扑包括第二电感和第三电容；
若lc补偿拓扑为多谐振原边补偿拓扑2，则第二电感的一端连接可变频逆变电源1的第一输出端，第二电感的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端连接可变频逆变电源1的第二输出端；
lc补偿拓扑与耦合机构3的原边线圈构成lcl发射结构；
若lc补偿拓扑为多谐振副边补偿拓扑4，则第二电感的一端连接整流电路5的第一输入端，第二电感的另一端连接第三电容的一端，第三电容的另一端连接整流电路5的第二输入端；
lc补偿拓扑与耦合机构3的副边线圈构成lcl接收结构。
所述复合串并联补偿拓扑包括第三电感、第四电容和第五电容；
若复合串并联补偿拓扑为多谐振原边补偿拓扑2，则第三电感的一端连接可变频逆变电源1的第一输出端，第三电感的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端连接第五电容的一端，第五电容的另一端连接可变频逆变电源1的第二输出端；
第五电容与耦合机构3的原边线圈并联；
若复合串并联补偿拓扑为多谐振副边补偿拓扑4，则第三电感的一端连接整流电路5的第一输入端，第三电感的另一端连接第四电容的一端，第四电容的另一端连接第五电容的一端，第五电容的另一端连接整流电路5的第二输入端；
第五电容与耦合机构3的副边线圈并联。
结合图2和图3所示，以基于双边lcc补偿网络结构的电能传输系统为例，所述多谐振原边补偿拓扑2采用lcc补偿拓扑，同时多谐振副边补偿拓扑4采用lcc补偿拓扑；
设定原边lcc补偿拓扑包括电感lp1、电容cp1和电容cp2，将电容cp1作为原边第一电容；副边lcc补偿拓扑包括电感ls1、电容cs1和电容cs2，将电容cs1作为副边第一电容；耦合机构3原边线圈lp2串联一个谐振电容元件cp2，并且lp2与cp2构成的串联结构与电容cp1构成一个初级并联谐振腔，该并联谐振腔与谐振补偿电感lp1串联，并且lp1与up串联，如图3所示；所述并联谐振腔、谐振补偿电感lp1及up形成闭合回路；耦合机构3副边线圈ls2串联一个谐振电容元件cs2，并且ls2与cs2构成的串联结构与电容cs1构成一个次级并联谐振腔，该并联谐振腔与谐振补偿电感ls1串联，并且ls1与等效负载rl串联，如图3所示；所述并联谐振腔、谐振补偿电感ls1及等效负载rl形成闭合回路。
则双边lcc补偿网络结构的约束条件包括：
其中λp为电容cp1和电容cp2的电容比：
可变频逆变电源1的输出频率包括：
其中ω1为恒流输出模式的电源输出频率，ω2为恒压输出模式的电源输出频率；
耦合机构3的设定工作耦合系数k为：
其中rl表示负载。
系统为恒流输出模式时：
其中il为恒流输出模式的系统输出电流，up为可变频逆变电源1的调制电压值，p1为恒流输出模式的系统输出功率。
在恒流输出模式时，系统的输出电流值与负载无关。
系统为恒压输出模式时：
ul为恒压输出模式的系统输出电压，p2为恒压输出模式的系统输出功率。
在恒压输出模式时，系统的输出电压值与负载无关。
当负载充电过程为由恒压充电转换为恒流充电的工作模式：
在恒压充电过程中，使可变频逆变电源1输出频率为ω2；状态识别及频率控制器6通过电流以及电压传感器监测负载7的充电状态，当负载充电电流达到阈值电流时，输出高电平激励信号给可变频逆变电源1，使可变频逆变电源1输出频率为ω1，进入恒流充电；
当负载充电过程为由恒流充电转换为恒压充电的工作模式：
在恒流充电过程中，使可变频逆变电源1输出频率为ω1；状态识别及频率控制器6通过电流以及电压传感器监测负载7的充电状态，当负载充电电压达到阈值电压时，输出低电平激励信号给可变频逆变电源1，使可变频逆变电源1输出频率为ω2，进入恒压充电。
所述的高电平激励信号或低电平激励信号可以来自压控振荡器，高电平激励信号或低电平激励信号与电源输出频率的对应关系可以视实际情况自由组合，从系统副边获取的电压、电流等数据可以通过wifi以及蓝牙的方式传递给系统原边的状态识别及频率控制器6。
本发明在实际使用中，多谐振原边补偿拓扑2与多谐振副边补偿拓扑4具体采用的结构，例如lcc补偿拓扑、lc补偿拓扑或复合串并联补偿拓，可以根据需要进行组合，例如可以为图4至图10所示的组合，也可以根据需要进行其它形式的组合。
如图11所示，当耦合机构3的耦合系数为图中两曲线交点时，系统可以实现以相同功率切换工作模式，即切换过程不会对系统稳定性造成较大影响，平稳实现过渡。
本发明的具体设计步骤可以为：
步骤一：获取负载比如电池在恒压转恒流时的负载特性，包含阻值；
步骤二：获取恒压或恒流充电时，系统的额定电压或额定电流；
步骤三：获取耦合机构3额定工作状态下的耦合系数；
步骤四：确定系统中各组件，比如电容或电感的参数；
步骤五：选取相应传感器并设计状态识别及频率控制器；
步骤六：根据设计工作频率范围对逆变器的工作频率范围进行设定；
步骤七：根据负载的工作状态来设计整流桥，以使整流桥满足负载的工作电流；
步骤八：对相应电路进行电磁屏蔽工作。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。