CN110601377A - 无线充电发射装置、接收装置、系统及谐振参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

一种无线充电发射装置、接收装置、系统及谐振参数匹配方法，该系统包括：变换电路，用于产生高频交流电；原边谐振电路，包括谐振电容Cp、初级线圈Lp和补偿电感L1，Cp和Lp并联在变换电路的两输出端，用于通过谐振产生交变电磁场，L1接于Cp与Lp的并联节点和变换电路之间；副边谐振电路，包括次级线圈Ls、谐振电容Cs和补偿电感L2，Ls与Cs并联，用于通过磁场感应耦合产生交流电，L2的一端连接Ls与Cs的一并联节点，另一端与另一并联节点作为两个输出端输出交流电；依次连接于副边谐振电路的整流电路和电池管理模块。L1和L2可以减小逆变器件和谐振器件的电压和电流应力，使得器件工作到同等电流下的功率更大，提高了电池无线充电时的充电功率和效率。

Description

无线充电发射装置、接收装置、系统及谐振参数匹配方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线充电发射装置、接收装置、系统及谐振参数匹配方法。

背景技术

在无人机、电动汽车、机器人、家用电器等产品中，通常采用可充电电池来提供能源，在对电池进行充电时，普遍使用有线充电器。比如，对于无人机，其利用锂电池来提供能源，受无人机自身的特殊性影响，其要求机身重量轻便，而且受到空间的限制，因此，一般使用有线充电器给无人机的锂电池进行充电。但在一些特殊的应用场景下，或者对于有特殊需求的产品而言，使用有线充电器对电池进行充电可能会存在接触不良、过热燃烧等问题，限制了电池的充电需求。随着科技的进步，无线电能传输技术得到了迅速的发展，它通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。因此，源于无线电能传输技术的无线充电技术能够很好地解决了有线充电因接触所潜在的问题。

目前，无线充电技术中通常采用简单的谐振拓扑：SS(Series-Series，初级串联-次级串联)型、SP(Series-Parallel，初级串联-次级并联)型、PS(Parallel-Series，初级并联-次级串联)型和PP(Parallel-Parallel，初级并联-次级并联)型，以提高系统的功率传输能力。但采用这四种类型的简单拓扑时，受拓扑中电磁耦合的漏磁、耦合系数等的影响，逆变器件和谐振器件的电流和电压应力较大，使得无线充电的充电功率小，充电效率低。

发明内容

本申请提供一种无线充电发射装置、接收装置、系统及谐振参数匹配方法，以在对电池进行无线充电时，提高充电功率和效率。

根据第一方面，一种实施例中提供一种无线充电发射装置，应用于发射端，包括：

变换电路，其包括两个输出端，用于产生交流电；

原边谐振电路，其包括第一补偿电感、初级线圈和第一谐振电容，第一谐振电容和初级线圈并联在变换电路的两输出端，用于通过谐振产生交变电磁场，第一补偿电感连接在第一谐振电容与初级线圈的并联节点和变换电路之间。

根据第二方面，一种实施例中提供一种无线充电接收装置，应用于接收端，包括：

副边谐振电路，其包括次级线圈、第二谐振电容和第二补偿电感，次级线圈和第二谐振电容并联，用于通过与无线充电发射装置的磁场感应耦合产生交流电，第二补偿电感的一端连接在第二谐振电容与次级线圈的一个并联节点上，另一端与另一并联节点作为两个输出端输出交流电；

整流电路，其连接于副边谐振电路的两输出端，用于将交流电整流为直流电；

电池管理模块，其连接于整流电路的两输出端，用于为电池充电。

根据第三方面，一种实施例中提供一种无线充电系统，包括如上所述的无线充电发射装置和无线充电接收装置。

根据第四方面，一种实施例中提供一种谐振参数匹配方法，应用于无线充电系统，包括：

获取系统参数；

根据所述系统参数和预设规则计算出谐振参数；

根据所述谐振参数计算出发射端的线圈电流和总输入电流；

根据所述线圈电流、所述总输入电流和所述谐振参数计算出电压应力和电流应力；

判断所述电压应力和所述电流应力是否超过预设值；

若所述电压应力和所述电流应力未超过所述预设值，则将所述谐振参数确定为系统的谐振参数。

依据上述实施例的无线充电发射装置、接收装置、系统及谐振参数匹配方法，其原边谐振电路中的第一谐振电容与初级线圈并联于变换电路两输出端，第一补偿电感连接于并联节点和变换电路之间；副边谐振电路中的第二谐振电容与次级线圈并联于整流电路的两输入端，第二补偿电感连接于并联节点和整流电路之间；由于第一补偿电感和第二补偿电感可以减小逆变器件和谐振器件的电压应力和电流应力，从而使得器件工作到同等电流下的功率更大，提高了电池无线充电时的充电功率和效率；同时，通过谐振参数的匹配，能够在一定范围内确定出合适的系统的谐振参数，进一步提高了充电效率。

附图说明

图1为一种实施例的无线充电发射装置的结构示意；

图2为一种具体实施例的无线充电发射装置的结构示意；

图3为一种实施例的无线充电接收装置的结构示意图；

图4为一种具体实施例的无线充电接收装置的结构示意图；

图5为一种实施例的无线充电系统的结构示意图；

图6为一种具体实施例的无线充电系统的结构示意图；

图7为一种具体实施例的发射端电路的原理图；

图8为一种具体实施例的接收端电路的原理图；

图9为一种实施例的双LCL谐振拓扑的原理图；

图10为一种实施例的谐振参数的匹配过程的流程图；

图11为一种实施例的发射端的线圈电流的波形图；

图12为一种实施例的输出电压的波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

在本发明实施例中，高频交流电经过原边谐振电路的谐振作用转换为高频的交变电磁场，再通过原边谐振电路与副边谐振电路的电磁感应耦合将电能无线传输到接收端，经接收端的整流电路整流为直流电后，通过电池管理模块为电池充电；其中，原边谐振电路中的第一谐振电容与初级线圈并联于变换电路两输出端，其并联节点和变换电路之间连接第一补偿电感；副边谐振电路中的第二谐振电容与次级线圈并联于整流电路的两输入端，其并联节点和整流电路之间连接第二补偿电感。

实施例一：

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种无线充电发射装置的结构示意图，如图1所示，该无线充电发射装置应用于发射端，包括变换电路1和与变换电路1输出端连接的原边谐振电路2；其中，变换电路1用于产生高频交流电，其能够将供电电源E提供的直流电转换为高频交流电，并通过两个输出端输出该高频交流电；原边谐振电路2包括第一补偿电感L1、初级线圈Lp和第一谐振电容Cp，第一谐振电容Cp和初级线圈Lp并联在变换电路1的两输出端，用于通过谐振产生交变电磁场，以将电能通过磁场感应耦合的方式传送给接收端，第一补偿电感L1连接在第一谐振电容Cp与初级线圈Lp的并联节点和变换电路1之间，能够降低变换电路1中的逆变器件及谐振器件的电压应力和电流应力，使得器件工作在同等电流下时的功率更大。

在一具体实施例中，无线充电发射装置还包括第一控制模块3，该无线充电发射装置的结构可参见图2，如图2所示，变换电路1将电源E提供的直流电或低频交流电转变为高频交流电，并通过两输出端输出给原边谐振电路2，第一控制模块3用于采集和处理信号、通信以及对变换电路1和原边谐振电路2进行控制；在本实施例中，第一控制模块3用于采集原边谐振电路2的电流信号，同时接收无线充电接收装置发送的电压和电流信号，并根据原边谐振电路2的电流信号和无线充电接收装置发送的电压和电流信号控制变换电路1。具体的，第一控制模块3包括电流采样电路31、第一控制电路32和驱动电路33，电流采样电路31连接于变换电路1的两输出端，用于采集原边谐振电路2的电流信号，将采集的电流信号通过采样输出端输出给第一控制电路32，第一控制电路32则根据该电流信号以及接收到的无线充电接收装置发送的电压和电流信号产生控制信号来控制驱动电路33，驱动电路33则根据该控制信号产生驱动信号，以驱动和控制全桥逆变电路1工作。其中，第一控制电路32可以通过无线通信的方式接收无线充电接收装置发送的电压和电流信号，比如，通过无线网(Wireless Fidelity，WIFI)或蓝牙接收无线充电接收装置发送的电压和电流信号。

实际应用中，变换电路1可以是全桥逆变电路，能够将直流电源E提供的直流电转变为高频交流电，并通过两输出端输出该高频交流电给原边谐振电路2。

本实施例提供的无线充电发射装置通过变换电路1产生高频交流电输入到原边谐振电路2，在原边谐振电路2中形成谐振，产生交变电磁场，将电能以磁场感应耦合的方式传送到接收端，以使接收端的无线充电接收装置能够通过磁场感应耦合接收该电能，进而为电池充电。通过在第一谐振电容Cp与初级线圈Lp的并联节点和变换电路1之间连接第一补偿电感L1，能够有效地减小变换电路1中的逆变器件和原边谐振电路中的谐振器件(电容、电感)的电压应力和电流应力，从而使得器件工作在同等电流下时的功率更大。

实施例二：

请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种无线充电接收装置的结构示意图，如图3所示，该无线充电接收装置应用于接收端，包括副边谐振电路4、整流电路5和电池管理模块6，副边谐振电路4通过与无线充电发射装置的磁场感应耦合产生交流电，并将该交流电输入到整流电路5，整流电路5则将该交流电整流为直流电，然后将该直流电输入到电池管理模块6，通过电池管理模块6为电池BA充电。具体的，副边谐振电路4包括次级线圈Ls、第二谐振电容Cs和第二补偿电感L2，次级线圈Ls和第二谐振电容Cs并联在整流电路5的两输入端，用于通过与无线充电发射装置的磁场感应耦合产生交流电，第二补偿电感L2连接在第二谐振电容Cs与次级线圈Ls的并联节点和整流电路5之间，可以降低谐振器件(电容和电感)的电压应力和电流应力，使得器件工作在同等电流下时的功率更大，这样，有效提高了电池管理模块6为电池充电时的充电功率和效率，即提高了电池无线充电时的充电功率和效率。

在一具体实施例中，无线充电接收装置还包括第二控制模块7，请参见图4，第二控制模块7与整流电路5的两输出端连接，用于对信号进行采集、放大、滤波等处理以及实现通信等功能；在本实施例中，第二控制模块7用于采集整流电路5输出端的电压和电流信号，并将采集到的电压和电流信号通过无线网WIFI、蓝牙等无线方式发送给无线充电发射装置，以调整无线充电发射装置产生的用来驱动和控制变换电路1的驱动信号。具体的，第二控制模块7包括电压电流采样电路71和第二控制电路72；其中的电压电流采样电路71连接于整流电路5的两输出端，用于采集整流电路5输出端的电压和电流信号；第二控制电路72连接于电压电流采样电路71的采样输出端，用于接收电压电流采样电路71采集的电压和电流信号，并将该电压和电流信号通过WIFI、蓝牙等无线方式发送给无线充电发射装置。

优选的，整流电路5和电池管理模块6之间还可连接一电压转换器(DC/DC转换器)，用于对整流电路5输出的直流电电压值进行转换，以使其满足负载的电压需求。

实际应用中，副边谐振电路4输出的负载电压为恒定电压，整流电路5可以是全波整流桥电路。

本实施例提供的无线充电接收装置通过副边谐振电路4与无线充电发射装置的电磁感应耦合产生交流电，从而接收到无线充电发射装置发送的电能，然后经整流电路5将该交流电整流为直流电，再将该直流点输入给电池管理模块6，通过电池管理模块6为电池充电，实现了电池的无线充电。其通过在次级线圈Ls与第二谐振电容Cs的并联节点和整流电路5之间连接第二补偿电感L2，能够有效地减小副边谐振电路中的谐振器件(电容和电感)的电压应力和电流应力，从而使得器件工作在同等电流下时的功率更大，进而提高了电池无线充电时的充电功率和效率。

实施例三

本实施例提供一种无线充电系统，包括实施例一所述的无线充电发射装置和实施例二所述的无线充电接收装置。具体的，请参见图5，本实施例提供的无线充电系统包括变换电路1、原边谐振电路2、副边谐振电路4、整流电路5和电池管理模块6，变换电路1和原边谐振电路2构成发射端，副边谐振电路4、整流电路5和电池管理模块6构成接收端，发射端和接收端通过磁场感应耦合进行电能的传输。系统工作时，发射端的变换电路1将电源E提供的直流电变换为高频交流电，将产生的高频交流电通过两输出端输出给原边谐振电路2，原边谐振电路2则通过谐振产生交变电磁场，将电能以交变电磁场的方式发送给接收端；接收端的副边谐振电路4与发射端的原边谐振电路2发生电磁感应耦合，产生交流电，实现电能从发射端到接收端的无线传输；副边谐振电路4产生的交流电经过整流电路5整流为直流电后，通过整流电路5的两输出端输入给电池管理模块6，由电池管理模块6为电池BA充电。

其中，原边谐振电路2和副边谐振电路4均为LCL谐振网络，两者通过磁场感应耦合形成双LCL谐振拓扑。具体的，原边谐振电路2包括第一补偿电感L1、初级线圈Lp和第一谐振电容Cp，第一谐振电容Cp和初级线圈Lp并联在变换电路的两输出端，用于通过谐振产生交变电磁场，第一补偿电感L1连接在第一谐振电容Cp与初级线圈Lp的并联节点和变换电路1之间；副边谐振电路4包括次级线圈Ls、第二谐振电容Cs和第二补偿电感L2，次级线圈Ls和第二谐振电容Cs并联在整流电路5的两输入端，用于通过与原边谐振电路2的电磁感应耦合产生交流电，第二补偿电感L2连接在第二谐振电容Cs与次级线圈Ls的并联节点和整流电路5之间，次级线圈Ls与初级线圈Lp构成耦合机构，产生互感M。这样，变换电路1产生的高频交流电便会在L1、Cp和Lp中形成谐振，然后通过初级线圈Lp和次级线圈Ls的电磁感应耦合，将电能无线传输到接收端，可以避免有线充电的束缚。同时，通过在发射端和接收端分别添加一个补偿电感L1和L2能够增强谐振频率的稳定，且使得同等传输功率下，初级线圈Lp和次级线圈Ls需求的电流减小，降低了逆变器件和谐振器件的电压应力和电流应力。

在实际应用中，无线充电系统的发射端还包括第一控制模块3，接收端还包括第二控制模块7，第一控制模块3和第二控制模块7之间通过无线方式进行通信，请参见图6。具体的，第一控制模块3包括电流采样电路31、第一控制电路32和驱动电路33，电流采样电路31连接于变换电路1的两输出端和第一控制电路32之间，第一控制电路32通过控制输出端与驱动电路33连接，驱动电路33连接于变换电路1的驱动控制端以驱动和控制变换电路1；第二控制模块7包括电压电流采样电路71和第二控制电路72，电压电流采样电路71连接于整流电路5的两输出端，并通过采样输出端与第二控制电路72连接，第二控制电路72则与第一控制电路32之间通过无线方式进行通信。系统工作时，第一控制电路32控制驱动电路33产生驱动信号以驱动和控制变换电路1工作，同时通过电流采样电路31采集原边谐振电路2的电流信号；第二控制电路72同时通过电压电流采样电路71采集整流电路5输出端的电压和电流信号，然后将该电压和电流信号通过无线通信的方式(比如WIFI、蓝牙等无线方式)发送给第一控制电路32；这时，第一控制电路32则根据接收的电压和电流信号以及电流采样电路31采集的电流信号调整驱动电路33产生的驱动信号，在驱动和控制变换电路1工作的同时保护变换电路1。

在一具体实施例中，变换电路1可以是全桥逆变电路(即逆变器)，构成的原边电路(即发射端电路)参见图7，该全桥逆变电路由四个晶体管(V1、V2、V3和V4)分别反并联续流二极管(VD1、VD2、VD3和VD4)构成，可以将直流源E输出的直流电转换为高频交流电，该交流电在L1、Cp和Lp组成的原边LCL谐振网络中形成谐振，产生交变电磁场，进而将电能以磁场感应耦合的形式发送给接收端；其中的a、b、c和d四个端分别为四个晶体管的驱动端，这四个晶体管可以是绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，也可以是金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)。原边LCL谐振网络中的第一补偿电感L1可以有效减小逆变器件(IGBT或MOSFET)和谐振器件(Cp和Lp)的电压应力和电流应力，使得器件工作到同等电流下，功率更大。

实际应用中，根据电路的要求可以在四个晶体管(V1、V2、V3和V4)的栅极和发射极之间分别连接电阻R1、R2、R3和R4。驱动电路33可以是隔离式双通道栅极驱动器，比如，选用型号为UCC21521的隔离式双通道栅极驱动器来驱动全桥逆变电路。电流采样电路31和电压电流采样电路71可以由电流传感器构成，比如，选取型号为ACS712ELCTR-30A的电流传感器分别构成电流采样电路31和电压电流采样电路71。

整流电路5可以是全波整流桥电路，构成的副边电路(即接收端电路)参见图8，该全波整流桥电路由四个二极管(D1、D2、D3和D4)组成的全波整流桥和在全波整流桥的两输出端m与n并联滤波电容C构成。线圈Ls与图7中的线圈Lp发生电磁感应耦合，从而接收发射端发送的电能，经L2、Cs和Ls组成的副边LCL谐振网络产生交流电，再通过全波整流桥电路整流为直流电后，经全波整流桥电路的两输出端A和B输入给电池管理模块6，以实现对电池的充电。其中的L2同样可以有效减小谐振器件(Cs和Ls)的电压应力和电流应力，使得器件工作到同等电流下，功率更大，进而提高了无线充电的充电功率。

基于本实施例的无线充电系统，在系统构建过程中还需要对谐振元器件的参数进行配置，即确定出双LCL谐振拓扑中原边谐振电路的第一补偿电感L1、初级线圈Lp和第一谐振电容Cp以及副边谐振电路的次级线圈Ls、第二谐振电容Cs和第二补偿电感L2的参数，将双LCL谐振拓扑配置成恒压输出，以使得副边谐振电路4输出的负载电压和发射端初级线圈的电流不受负载变化的影响，保证充电电压的稳定。为了便于描述，这里以变换电路1为全桥逆变电路(称为逆变桥)、整流电路5为全波整流桥电路(称为整流桥)为例进行说明，用L₁和L₂分别表示第一补偿电感和第二补偿电感的电感值，C_p和C_s分别表示第一谐振电容和第二谐振电容的电容值，L_p和L_s分别表示初级线圈和次级线圈的电感值，将谐振元器件的参数(即L₁、L₂、C_p和C_s)简称为谐振参数。

具体的，对无线充电系统的谐振参数进行如下分析：

图9示出了无线充电系统中双LCL谐振拓扑的结构原理图，如图9所示，RL等效为负载电阻，其阻值用R_L来表示，对于接收端而言，根据基尔霍夫电压定律(KVL)和基尔霍夫电流定律(KCL)可求得负载的电压U_o为：

其中，I_o为输出电流，即负载电流，U_oc为接收端的开路拾取电压，ω为逆变桥的工作角频率。

为了消除负载RL的影响，令①式中的R_L项为0，即(jw)³L_sC_sL₂+jw(L_s+L₂)＝0，故有：

由此可得负载电压的表达式为：

同样的，对于发射端而言，根据KVL定律和KCL定律可求得发射端的线圈(即初级线圈Lp)电流I_p为：

其中，U_in为原边谐振电路的输入电压，也即逆变桥的输出电压，为初级线圈支路的阻抗的实部，为初级线圈支路的阻抗的虚部，即初级线圈支路的阻抗Z_p＝R_e+jωL_peq，其中的M为初级线圈和次级线圈之间的互感。

为了消除负载RL的影响，令④式中的R_e有关项为0，可以得到：

由此可得发射端的线圈电流的表达式为：

进一步的，系统的总输入阻抗Z_in可表示为：

为实现系统输出功率最大化，即系统的无功功率为零，令Z_in的虚部为零，可得：

在此条件下，系统的总输入阻抗为：

系统的总输入电流I_in为：

由上述分析过程中的式③和式⑥可知，负载电压U_o和发射端的线圈电流I_p均与负载大小无关，这样，当负载RL变化时，输出电压(即负载电压U_o)将保持稳定，实现了充电电压的稳定性，使其能够适应更广的负载范围。

同时，由式⑨可知，在谐振器件选定的情况下，无论负载如何变化，系统的总输入阻抗均为纯阻性，不存在容性阻抗和感性阻抗，因而不会影响系统的谐振频率，系统的功率因数为1，可以很好地实现负载变化时的频率稳定性。

根据上述谐振参数的分析过程，可以对谐振参数进行如下的匹配过程，具体参见图10，谐振参数的匹配过程可以包括以下步骤：

步骤101：确定负载电压。

根据无线充电的应用场合来确定负载电压U_o，比如，充电电池的组合方式不同，对应的充电电压的大小则不同，即负载电压不同，则可根据充电电池的不同组合方式来确定负载电压。

步骤102：确定系统工作频率。

目前，无线供电所使用的工作频率一般在20kHz～100kHz，可以在该范围内初步确定系统的工作频率，即确定逆变桥的工作角频率ω。

步骤103：选择供电电压。

供电电压是指发射端的输入电压，也即逆变桥的输入电压U_E，其可根据目标功率来进行选择。由于逆变桥的输入电压U_E和原边谐振电路的输入电压U_in存在关系当确定了供电电压U_E，便确定了U_in。在一定功率条件下，U_in越大，流过逆变桥的电流越小，逆变器件的电流应力也越小，但此时的电压应力会上升；而U_in越小，为了达到同等功率，流过逆变桥的电流会越大，逆变器件的电压应力也越小，但此时的电流应力会上升；因此，在实际应用中需要综合考虑各逆变器件的电压应力和电流应力来选择合适的供电电压，以设定U_in。

步骤104：确定耦合机构。

根据无线充电系统的应用场合，仿真并试做初级线圈Lp和次级线圈Ls，使其构成耦合机构。在实际应用中，电感值L_p和L_s一般取几十到几百微亨即可，尽量能够用小的电感值取得较大的互感M。比如，根据初级线圈Lp和次级线圈Ls的距离来确定L_p和L_s，当其距离为5cm～10cm时，尽量取耦合机构的耦合系数大于0.2，以此确定出L_p和L_s的值，得到耦合机构。

步骤105：计算谐振参数。

在确定好系统工作频率ω、耦合机构的初级线圈和次级线圈的电感值L_p和L_s、供电电压U_E和负载电压U_o之后，即确定好系统参数之后，计算软件获取该系统参数，并利用公式②、③、⑤、⑥和⑧联合计算出L₁、L₂、C_p和C_s的值。

实际应用中，也可以利用计算软件(如Mathematica)先解出L₁、L₂、C_p和C_s的表达式，然后利用该表达式分别计算出L₁、L₂、C_p和C_s的值，L₁、L₂、C_p和C_s的表达式分别为：

其中的

步骤106：计算发射端的线圈电流和总输入电流。

在计算出L₁、L₂、C_p和C_s的值之后，根据上述谐振参数的分析过程，利用公式⑥计算出发射端的线圈电流I_p，利用公式⑩计算出系统的总输入电流I_in。

步骤107：计算电压电流应力。

根据计算出的发射端的线圈电流I_p、系统的总输入电流I_in以及L₁、L₂、C_p和C_s的值计算各逆变器件和各谐振器件的电压应力和电流应力。

步骤108：判断电压电流应力是否超过预设值。

判断计算出的各逆变器件和各谐振器件的电压应力和/或电流应力是否超过预设的电压应力值和/或电流应力值，若电压应力和电流应力中至少有一个超过预设的值，即电压应力超过预设的电压应力值、电流应力超过预设的电流应力值或电压应力和电流应力分别超过预设的电压应力值和电流应力值，则说明电压应力和/或电流应力过大，则执行步骤109；若电压应力和电流应力未超过预设的电压应力值和电流应力值，则执行步骤110。

步骤109：调整系统参数并重新计算谐振参数。

在电压应力和电流应力中至少有一个超过预设的值时，提示用户根据预设调整规则调整系统参数，并获取调整后的系统参数，然后根据调整后的系统参数重新计算谐振参数。

具体的，在电压应力和电流应力中至少有一个超过预设的值时，提示用户根据预设调整规则调整系统参数，这时，用户首先调整系统工作频率，得到调整后的系统工作频率ω′；系统工作频率调整之后，软件获取调整后的系统参数，即获取ω′、L_p、L_s、U_o和U_E，然后根据这些参数重新计算谐振参数，即重新返回步骤105，执行步骤105及其之后的步骤。

这时，若判断出电压电流应力未超过预设值，则执行步骤110；若在系统工作频率范围内均判断出电压应力和电流应力中仍至少有一个超过预设的值，则继续提示用户根据预设调整规则调整系统参数。此时，用户接着调整供电电压，得到调整后的供电电压U_E′。供电电压调整之后，软件获取调整后的系统参数，即获取ω′、L_p、L_s、U_o和U_E′，然后根据这些参数重新计算谐振参数。

同样的，若判断出电压电流应力未超过预设值，则执行步骤110，若判断出电压应力和电流应力中仍旧至少有一个超过预设的值，则继续提示用户根据预设调整规则调整系统参数。这时，用户调整或者重新制作耦合机构，得到调整后的线圈电感L_p′和L_s′。耦合机构调整之后，软件获取调整后的系统参数，即获取ω′、L_p′、L_s′、U_o和U_E′，然后根据这些参数重新计算谐振参数。

同样的，若判断出电压电流应力未超过预设值，则执行步骤110，若判断出电压应力和电流应力中仍旧至少有一个超过预设的值，则重新按照优先调整系统工作频率，再调整供电电压，然后调整耦合机构的顺序进行谐振参数的匹配，直至电压电流应力不超过预设值。

在实际应用中，可以在整流电路5和电池管理模块6之间连接电压转换器，即DC/DC电路，对整流电路5输出的直流电电压值进行转换，这时，在判断出电压电流应力超过预设值时，则可以优先在一定范围内调整负载电压，重新计算谐振参数。

步骤110：配置谐振参数。

在电压电流应力未超过预设值时，将当前计算出的L₁、L₂、C_p和C_s的值确定为系统的谐振参数，然后按照该谐振参数选取谐振器件，构建无线充电系统。

这样，通过上述的谐振匹配过程便可以选取出合适的电感和电容，使得发射端和接收端完全谐振耦合，这时，系统的总输入阻抗为纯阻性，且由式⑨可知，在谐振器件已经选定的情况下，无论负载如何变化，系统的总输入阻抗均为纯阻性，即系统的功率因数均为1，从而能够很好地实现负载变化时的频率稳定性。同时，由公式③和⑥可知，此时的负载电压U_o和发射端的线圈电流I_p均与负载大小无关，副边谐振电路输出的负载电压为恒定电压，保证了电池充电过程中的电压的稳定性，使其能够适应更广的负载范围。

无线充电系统是松耦合的，属于非线性系统，由于补偿电感L1和L2的加入使得系统的阶次升高，谐振参数的匹配过程较复杂，在实际应用中，可以借助工具Matlab和Mathematic进行仿真和计算，以得到合适的谐振参数。

以无人机锂电池的无线充电为例，在充电过程中，锂电池(负载)的等效阻抗变化范围很大，尤其是最大持续充电电流越大，其等效阻抗变化范围就越大。要提高锂电池的持续充电电流，即提高系统的输出功率，就必须使得系统的输出电压不受负载变动的影响。按照上述的谐振参数匹配过程，可得到如表1所示的三组谐振参数：

表1

表1中的三组谐振参数具有相同的效果，均可实现输出的负载电压不受负载大小的变化影响的效果，能够保证输出的负载电压为恒定电压，且提高了充电功率和效率。

以第3组谐振参数为例，在构建无线充电系统时，对于发射端，选取电感值为38.5uH的电感作为第一补偿电感，选取规格为0.22uF/1250V、0.033uF/1600V和0.01uF/2000V的三个电容共同构成第一谐振电容，即C_p＝0.22uF/1250V+0.033uF/1600V+0.01uF/2000V，选取规格为61uH/1800W的线圈作为初级线圈；对于接收端，选取107.1uH的电感作为第二补偿电感，选取规格为54uH/1800W的线圈作为次级线圈，选取规格为0.15uF/1250V、0.1uF/2000V、0.022uF/2000V和0.01uF/2000V的四个电容共同构成第二谐振电容，即C_s＝0.15uF/1250V+0.1uF/2000V+0.022uF/2000V+0.01uF/2000V。

根据第3组谐振参数可得到双LCL谐振拓扑的发射端的线圈电流的波形图和输出电压(负载电压)的波形图，分别参见图11和图12，可看出，在t＝1s，负载从10欧姆突变为56欧姆时，发射端的线圈电流和输出电压(负载电压)仅有微小波动后又恢复稳定，且与原电流和原电压相差无几。其中出现的微小波动是由于线圈电流和输出电压受到了电容和电感存在的寄生电阻等参数的影响，但其影响相对较小。可见，按照上述的谐振参数匹配方法配置谐振参数后，锂电池从无电到充满电的过程中，其阻值会在大范围内变动，但整流电路的输出电压却几乎没有变化，或者说变化并不明显，因此，按照本发明提出的谐振参数匹配方法配置谐振器件的参数后，系统负载的变化几乎不影响输出电压的大小，可适应大范围的负载变动。

在有些实施例中，可以在整流电路5和电池管理模块6之间连接电压转换器，即DC/DC电路，对整流电路5输出的直流电电压值进行转换，从而进一步加宽了输出电压的设置范围。比如，对于表1中匹配好的三组谐振参数，其输出电压均为恒定电压，但三组的恒定电压值各不相同，这时，经DC/DC电路转换后便可输出相同的电压和电流给电池管理模块6，以完成对电池的充电。因此，当输入给负载相同的电压时，整流电路5输出的电压值可以是配置出的多个不同输出电压，从而加宽了输出电压的设置范围。

对于锂电池而言，其充电过程是一个先恒流充电、后恒压充电的过程，增加DC/DC电路之后可以对电路实施多重保护，更加精准地控制充电电压和充电电流的幅值，然后经电池管理模块6均匀的给锂电池组充电。实际应用中，电池管理模块6可以是电池管理系统(Battery Management System，BMS)。

本实施例提供的无线充电系统，一方面，通过发射端的变换电路产生高频交流电，再经过原边谐振电路的谐振作用将该高频交流电转换为交变电磁场，将电能以电磁感应耦合的方式发送给接收端；接收端的副边谐振电路与发射端的原边谐振电路发生电磁感应耦合产生交流电，实现了电能从发射端到接收端的无线传输；产生的交流电经整流电路整流为直流电后输出给电池管理模块，由电池管理模块为电池充电，从而实现了电池的无线充电，避免了有线充电的束缚。另一方面，原边谐振电路和副边谐振电路构成了双LCL谐振拓扑，其中的补偿电感L1和L2可以增强谐振频率的稳定，且使得同等传输功率下，初级线圈和次级线圈需求的电流减小，有效降低了逆变器件和谐振器件的电压应力和电流应力，使得器件工作到同等电流下的功率更大，从而提高了充电功率和效率。进一步的，通过谐振参数的匹配，选取出合适的电感和电容，使得发射端和接收端完全谐振耦合，得到纯阻性的系统总输入阻抗，可以保证负载变化时的频率稳定性；同时，通过谐振参数的匹配，使得副边谐振电路输出的负载电压为恒定电压，避免了负载变化对输出电压的影响，保证了电池无线充电过程中充电电压的稳定，能够适用于大范围的负载变化，扩大了无线充电的应用范围，而且在一定范围内提高了充电效率。另外，通过在整流电路和电池管理模块之间连接DC/DC电压转换器，进一步加宽了输出电压的设置范围。

本实施例提供的无线充电系统可应用于各种含锂电池产品的无线充电，例如，应用于无人机、电动汽车、机器人、家用电器等的锂电池的无线充电。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (15)

1.一种无线充电发射装置，应用于发射端，其特征在于，包括：

变换电路，其包括两个输出端，用于产生交流电；

原边谐振电路，所述原边谐振电路连接在所述变换电路的输出端，包括第一补偿电感、初级线圈和第一谐振电容，第一谐振电容和初级线圈并联在变换电路的两输出端，用于通过谐振产生交变电磁场，第一补偿电感连接在第一谐振电容与初级线圈的并联节点和变换电路之间。

2.如权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，还包括：

第一控制模块，分别与所述变换电路和原边谐振电路连接，用于采集原边谐振电路的电流信号，接收无线充电接收装置发送的电压和电流信号，并根据原边谐振电路的电流信号和无线充电接收装置发送的电压和电流信号控制变换电路。

3.如权利要求2所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述第一控制模块包括：

电流采样电路，与变换电路的两输出端连接，用于采集原边谐振电路的电流信号；

第一控制电路，与电流采样电路的采样输出端连接，用于接收电流采样电路采集的电流信号及无线充电接收装置发送的电压和电流信号，并根据电流采样电路采集的电流信号及无线充电接收装置发送的电压和电流信号产生控制信号；

驱动电路，与第一控制电路的控制输出端连接，用于接收第一控制电路产生的控制信号，根据所述控制信号产生驱动信号以驱动和控制变换电路。

4.如权利要求1所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述变换电路为全桥逆变电路。

5.一种无线充电接收装置，应用于接收端，其特征在于，包括：

副边谐振电路，其包括次级线圈、第二谐振电容和第二补偿电感，次级线圈和第二谐振电容并联，用于通过与无线充电发射装置的磁场感应耦合产生交流电，第二补偿电感的一端连接在第二谐振电容与次级线圈的一个并联节点上，另一端与另一并联节点作为两个输出端输出交流电；

整流电路，其连接于副边谐振电路的两输出端，用于将交流电整流为直流电；

电池管理模块，其连接于整流电路的两输出端，用于为电池充电。

6.如权利要求5所述的无线充电接收装置，其特征在于，所述副边谐振电路输出的负载电压为恒定电压。

7.如权利要求5所述的无线充电接收装置，其特征在于，还包括：

第二控制模块，与所述整流电路连接，用于采集整流电路输出端的电压和电流信号，并将所述电压和电流信号发送给无线充电发射装置。

8.如权利要求7所述的无线充电接收装置，其特征在于，所述第二控制模块包括：

电压电流采样电路，与整流电路的两输出端连接，用于采集整流电路输出端的电压和电流信号；

第二控制电路，与电压电流采样电路的采样输出端连接，用于将电压电流采样电路采集的电压和电流信号发送给无线充电发射装置。

9.如权利要求5所述的无线充电接收装置，其特征在于，所述整流电路为全波整流桥电路。

10.如权利要求5至9任一项所述的无线充电接收装置，其特征在于，还包括：

电压转换器，其连接于整流电路和电池管理模块之间，用于对整流电路输出的直流电电压值进行转换。

11.一种无线充电系统，其特征在于，包括权利要求1至4任一项所述的无线充电发射装置和权利要求5至10任一项所述的无线充电接收装置。

12.一种谐振参数匹配方法，其特征在于，应用于无线充电系统，包括：

获取系统参数；

根据所述系统参数和预设规则计算出谐振参数；

根据所述谐振参数计算出发射端的线圈电流和总输入电流；

根据所述线圈电流、所述总输入电流和所述谐振参数计算出电压应力和电流应力；

判断所述电压应力和所述电流应力是否超过预设值；

若所述电压应力和所述电流应力未超过所述预设值，则将所述谐振参数确定为系统的谐振参数。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述根据所述系统参数和预设规则计算出谐振参数，包括：

根据系统工作频率、耦合机构参数、供电电压、负载电压和公式(1)至(5)计算出第一补偿电感、第二补偿电感、第一谐振电容和第二谐振电容的参数，所述系统工作频率、耦合机构参数、供电电压和负载电压为所述系统参数，所述第一补偿电感、第二补偿电感、第一谐振电容和第二谐振电容的参数为所述谐振参数；

所述公式(1)为：

所述公式(2)为：

所述公式(3)为：

所述公式(4)为：

所述公式(5)为：

其中，ω为系统工作频率，L₁和L₂分别为第一补偿电感和第二补偿电感的电感值，C_p和C_s分别为第一谐振电容和第二谐振电容的电容值，U_o为负载电压，其中的U_E为供电电压，I_p为发射端的线圈电流，L_p、L_s和M为耦合机构参数，分别代表初级线圈的电感值、次级线圈的电感值和互感。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述根据所述谐振参数计算出发射端的线圈电流和总输入电流，包括：

根据所述谐振参数，利用公式(4)计算出发射端的线圈电流I_p；

根据所述谐振参数，利用公式(6)计算出总输入电流I_in；

所述公式(6)为：其中，R_L为负载的阻值。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述判断所述电压应力和所述电流应力是否超过预设值之后，所述方法还包括：

若所述电压应力和/或所述电流应力超过所述预设值，则提示用户根据预设调整规则调整所述系统参数，并获取调整后的系统参数，根据所述调整后的系统参数重新计算谐振参数。