基于磁通可控电感的三线圈无线充电系统及方法

本发明涉及三线圈无线充电系统及方法，属于无线充电。

背景技术：

1、无线充电技术是一种新型的电能传输技术，其主要原理是利用电磁感应原理将电能从外部电源转换成电能，通过电磁波在空间的传输将能量转移给接收端。目前，无线充电的技术有感应式、谐振式、磁电式以及其他新的非接触式无线电能传输方式。与有线充电相比，无线充电具有以下优点：无需线缆连接，可进行远距离工作；不需要安装充电器和电线，节省了空间；无需拔插和更换电池，有效降低了噪声和环境污染；使用安全，避免了触电和漏电等危险的发生；可以不受使用地点的限制，特别适合在户外工作的人员。国内外研究机构对无线充电技术在可穿戴智能设备、医疗、电动汽车无线充电、手机无线充电、智能家居等领域进行了大量研究，使得无线充电技术得到了广泛的应用。

2、在相同的能量传输距离下，相比于传统的两线圈无线电能传输系统，三线圈无线充电系统的发射线圈回路电流较小，可以减小高频逆变器的损耗，在接收线圈发生横向偏移时，三线圈无线充电系统可有效减缓系统能量传输效率的降低程度，并且在负载切出时有效减小功率损耗。两线圈无线充电系统中，在s-s拓扑结构下，当发射线圈、接收线圈分别与其补偿电容在系统工作频率下谐振，系统总输入阻抗呈现纯阻性，系统效率达到最大。三线圈无线充电系统中，在s-s-s拓扑结构下，即使三个线圈分别与其补偿电容在系统工作频率下谐振，由于发射线圈与接收线圈之间的互感的存在，会导致系统总输入阻抗存在虚部，导致系统能量传输效率降低。此外，无线电能传输系统的主要负载为电池，在充电过程中电池的等效电阻值是不断变化的，在系统参数保持不变的情况下，因三线圈无线充电系统的效率最优负载值固定，系统负载发生变化，势必会对系统的能量传输效率产生影响，造成系统能量传输效率的降低。

3、因此，亟需提出基于磁通可控电感的三线圈无线充电系统及方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明解决现有的两线圈或者三线圈无线充电系统中能量传输效率降低的问题，提供基于磁通可控电感的三线圈无线充电系统及方法，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、基于磁通可控电感的三线圈无线充电系统，包括直流电源、第一半桥逆变器、第二半桥逆变器、补偿拓扑和整流器，直流电源通过并联设置的第一半桥逆变器、第二半桥逆变器与补偿拓扑连接，补偿拓扑与整流器连接。

4、优选的：补偿拓扑包括mfci、磁耦合机构、寄生电阻rp、寄生电阻rs、寄生电阻rcs、补偿电容cs、寄生电阻rcp、补偿电容cp、补偿电容cr、寄生电阻rr和寄生电阻rcr，所述第一半桥逆变器、寄生电阻rp、磁耦合机构、补偿电容cp、寄生电阻rcp串联，第二半桥逆变器、mfci、补偿电容cr、寄生电阻rcr、寄生电阻rr、磁耦合机构串联，补偿电容cs、寄生电阻rs、磁耦合机构、寄生电阻rcs、整流器串联。

5、优选的：所述磁耦合机构包括耦合设置的发射线圈lp、接收线圈ls和中继线圈lr，第一半桥逆变器的输出端正极、寄生电阻rp、发射线圈lp、补偿电容cp、寄生电阻rcp、第一半桥逆变器的输出端负极顺次连接，整流器的输入端正极、寄生电阻rcs、补偿电容cs、寄生电阻rs、接收线圈ls、整流器的输入端负极顺次连接，补偿电容cr的正极、寄生电阻rcr、中继线圈lr、mfci、补偿电容cr的负极顺次连接。

6、优选的：mfci包括电感线圈lf、补偿电容cf、电感线圈lb和电感线圈la，补偿电容cr的正极、寄生电阻rcr、中继线圈lr、mfci的电感线圈la、补偿电容cr的负极顺次连接，第二半桥逆变器的输出端正极、并联设置的补偿电容cf和电感线圈lb、电感线圈lf、第二半桥逆变器的输出端负极顺次连接，电感线圈lb和电感线圈la耦合设置。

7、优选的：还包括电容cbus和电容co，直流电源与cbus并联，直流电源并联在第一半桥逆变器、第二半桥逆变器的输入端，电容co并联在整流器的输出端，等效负载电阻ro、电池、定值电阻rd并联设置，电容co与并联设置的等效负载电阻ro、电池、定值电阻rd并联，电容co通过开关s2与定值电阻rd连接，电容co通过开关s1与等效负载电阻ro、电池连接。

8、基于磁通可控电感的三线圈无线充电方法，包括以下步骤：

9、步骤一：输入系统参数；

10、步骤二：检测系统参数，电容co的电压uo、电容co的输出电流io；

11、步骤三：计算系统等效负载；

12、步骤四：带入参数，计算系统效率，系统效率即为系统能量传输效率η；

13、步骤五：求电感线圈la两端的等效电感值lv；

14、步骤六：产生pwm控制的mosfetq3、q4；

15、步骤七：结束。

16、优选的：步骤一，系统参数包括第一半桥逆变器输出电压up、整流器等效输入阻抗re、直流电源母线电压ubus、等效负载电阻ro的电阻值ro、发射线圈lp与中继线圈lr的互感值mpr、发射线圈lp与接收线圈ls的互感值mps、中继线圈lr与接收线圈ls的互感值mrs；

17、步骤三中，

18、优选的：步骤四中，ω为系统的工作角频率，根据基尔霍夫电压定律(kvl)可列得回路方程为：

19、

20、其中：

21、

22、

23、

24、其中：j为虚数单位；zp、zr、zs分别为发射线圈、中继线圈、接收线圈回路的回路阻抗；xzp、xzr、xzs分别为zp、zr、zs的电抗；up、ip、ir、is分别为up、ip、ir、is的有效值；

25、根据式求解回路方程得：

26、

27、系统能量传输效率为：

28、

29、

30、步骤五中，由上式可知xzr通过下式求得：

31、

32、根据可得：

33、

34、求得对应的lv，lv则由磁通可控电感调节；

35、um为第二半桥逆变器输出电压，la、lb、mab分别为电感线圈la的一次侧自感、电感线圈lb的二次侧自感和电感线圈la与电感线圈lb互感值，ua为电感线圈la两侧的电压；

36、磁通可控电感通过对第二半桥逆变器进行控制，调节输出电压um，使电流ib＝-γia，进而控制变压器一次侧线圈la中的磁通为：

37、ψa＝laia+mabib＝(la-γmab)ia；

38、由上式可知变压器一次侧呈现连续可变电感值lv＝la-γmab，通过调节γ的值即可调节其等效电感值；通过电路分析可得电压um与电流ib之间的关系为：

39、

40、可知，通过调节逆变器的输出电压即可控制ib大小，进而控制γ的值，γ为正实数。

41、优选的：步骤六中，由接收端控制器采集输出电流电压等信息，通过无线通讯传输到接收端控制器，由接收端控制器计算出等效阻抗re，根据dη/dxzr＝0求得所需lv值，产生pwm对q3、q4进行控制。

42、本发明具有以下有益效果：

43、本发明通过调节磁通可控电感值动态追踪系统最大频率，保证系统实时高效运行，有效的提高能量传输效率；

44、本发明接收端无需增加额外电路元件，尽可能的降低了接收端体积。