CN115664052A - 无线电能发射端、无线电能接收端和无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种无线电能发射端、无线电能接收端和无线电能传输系统。通过无线电能发射端的逆变电路将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，然后通过原边LCC补偿电路对输出信号进行补偿输出交流电信号，并且以无线的方式向无线电能接收端发送交流电信号，进而无线电能接收端中相互并列的多个接收电路中副边LCC补偿电路对交流电信号进行补偿，最后通过输出电路将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。由此，可以实现电能无线传输，并且多个接收电路可以同时向负载供电，从而提高电能传输效率，同时，当任意接收电路发生故障时，无线电能系统依然能够保证负载的正常工作，提高了电能传输鲁棒性。

Description

无线电能发射端、无线电能接收端和无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及电能传输技术领域，尤其涉及一种无线电能发射端、无线电能接收端和无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)是一种安全便捷的电能传输方式，因其具有使用灵活方便、少维护、环境可适应性强、易于实现的优点，在电子设备、传感器等领域具有广阔的应用前景。

在现有技术中，无线电能传输的方式主要采用两线圈结构。在发射端，直流电信号通过逆变器后产生高频交流电，进而通入由谐振电路和发射线圈组成的LC谐振电路中形成正弦交流电，同时在发射线圈周边空间形成高频交变磁场。在接收端，将接收线圈中感应的交流电流进行整流和滤波后为负载供电。

一方面，在无线电能传输过程中，由于环境因素影响，引起发送线圈和接收线圈中电流出现较大的波动，导致无线电能传输系统供电不稳定；另一方面，接收端采用单接收线圈结构，一旦接收线圈出现故障，导致整个无线能量传输系统故障，电能传输鲁棒性较低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种无线电能发射端、无线电能接收端和无线电能传输系统，可以提高电能传输效率，同时提高电能传输鲁棒性。

第一方面，本发明实施例提供了一种无线电能接收端，所述无线电能接收端包括相互并列的多个接收电路，各所述接收电路包括：

接收线圈，被配置为以无线方式接收交流电信号；

副边LCC补偿电路，与所述接收线圈连接，被配置为对所述交流电信号进行补偿；以及

输出电路，与所述副边LCC补偿电路连接，被配置为将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。

在一些实施例中，所述输出电路包括：

整流电路，与所述副边LCC补偿电路连接，被配置为将补偿后的交流电信号转换为副边直流电信号。

在一些实施例中，所述整流电路为全桥整流电路。

在一些实施例中，所述输出电路还包括：

稳压电容，连接在所述整流电路和负载之间，被配置为对所述副边直流电信号进行稳压处理；以及

输出电感，连接在所述整流电路和所述负载之间，被配置为对稳压后的副边直流电信号进行滤波，输出所述直流电信号；

其中，所述稳压电容和所述输出电感并联。

在一些实施例中，所述副边LCC补偿电路包括：

副边补偿电感，连接在所述整流电路和第一补偿电容之间；

第一补偿电容，连接在所述副边补偿电感和所述接收线圈之间；以及

第二补偿电容，连接在所述整流电路和所述第一补偿电容之间，所述第二补偿电容和所述接收线圈并联。

在一些实施例中，所述整流电路包括：

第一二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述输出电感之间；

第二二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述输出电感之间；

第三二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述负载之间，所述第一二极管和所述第三二极管串联；以及

第四二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述负载之间，所述第二二极管和所述第四二极管串联；

其中，所述第一二极管、所述第三二极管和所述第二二极管、所述第四二极管并联。

第二方面，本发明实施例提供了一种无线电能发射端，所述无线电能发射端包括：

逆变电路，被配置为将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号；

原边LCC补偿电路，被配置对所述输出信号进行补偿，输出交流电信号；以及

发射线圈，与所述原边LCC补偿电路连接，被配置为以无线的方式向无线电能接收端发送所述交流电信号。

在一些实施例中，所述原边LCC补偿电路包括：

原边补偿电感，连接在所述逆变电路和第三补偿电容之间；

第三补偿电容，连接在所述原边补偿电感和所述发射线圈之间；以及

第四补偿电容，连接在所述逆变电路与所述第三补偿电容之间，所述第四补偿电容和所述发射线圈并联。

在一些实施例中，所述逆变电路包括受控开关组，所述受控开关组包括多个受控开关，所述受控开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。

第三方面，本发明实施例提供了一种无线电能传输系统，所述无线电能传输系统包括：

无线电能发射端，所述无线电能发射端包括：

逆变电路，被配置为将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号；

原边LCC补偿电路，被配置对所述输出信号进行补偿，输出交流电信号；

发射线圈，与所述原边LCC补偿电路连接，被配置为以无线的方式向无线电能接收端发送所述交流电信号；以及

至少一个无线电能接收端，所述无线电能接收端包括相互并列的多个接收电路，各所述接收电路包括：

接收线圈，被配置为以无线方式接收所述交流电信号；

副边LCC补偿电路，与所述接收线圈连接，被配置为对所述交流电信号进行补偿；

输出电路，与所述副边LCC补偿电路连接，被配置为将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。

本发明实施例通过无线电能发射端的逆变电路将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，然后通过原边LCC补偿电路对输出信号进行补偿输出交流电信号，并且以无线的方式向无线电能接收端发送交流电信号，进而无线电能接收端的多个接收电路中副边LCC补偿电路对交流电信号进行补偿，最后通过输出电路将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。由此，可以实现电能无线传输，并且多个接收电路可以同时向负载供电，从而提高电能传输效率，同时，当任意接收电路发生故障时，无线电能系统依然能够保证负载的正常工作，提高了电能传输鲁棒性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是现有技术的无线电能传输系统的电路图；

图2是现有技术的无线电能传输系统的电路图；

图3是本发明一个实施例的无线电能传输系统的示意图；

图4是本发明一个实施例中无线电能发射端的电路图；

图5是本发明一个实施例中无线电能接收端的电路图；

图6是本发明一个实施例的无线电能传输系统的电路图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电电路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是现有技术的无线电能传输系统的电路图。如图1所示，现有技术的无线电能传输系统的电路包括发射端和接收端，发射端包括逆变电路1'和输出电路2'，接收端包括整流电路3'。其中，逆变电路1'包括受控开关S'₁、S'₂、S'₃和S'₄，输出电路2'包括电容C'₁和发射线圈L'₁，整流电路3'包括二极管D'₁、D'₂、D'₃和D'₄。

在现有技术中，发射端还包括输入电池V'_dc，与逆变电路1'连接，用于提供直流形式的输入信号。

逆变电路1'连接在输入电池V'_dc和输出电路2'之间，用于将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，输出信号的电压为u'_in，电流为i'₁。

电容C'1连接在逆变电路1'和发射线圈L'₁之间，用于对所述输出信号进行滤波，输出交流电信号。

发射线圈L'₁连接在逆变电路1'和电容C'₁之间，用于向接收端发送所述交流电信号。

在现有技术中，接收端还包括接收线圈L'₂和电容C'₂。其中，接收线圈L'₂连接在电容C'₂和整流电路3'之间，用于接收所述交流电信号。电容C'₂连接在接收线圈L'₂和整流电路3'之间，用于对接收到的所述交流电信号进行滤波。其中，整流电路3'用于将滤波后的交流电信号转换为副边直流信号。进一步地，接收端还包括电解电容C'_dc和电感L'_dc。其中，电解电容C'_dc连接在整流电路3'和负载电池之间，用于为所述副边直流电信号进行稳压处理。电感L'_dc连接在整流电路3'和负载电池之间，且电解电容C'_dc和电感L'_dc并联，电感L'_dc用于对稳压后的副边直流电信号进行滤波，输出直流电信号。

在现有技术中，接收线圈L'₂接收到发射线圈L'₁发送的交流电信号，由电容C'₂滤波后输出电流为i'₂的副边直流电信号。然后整流电路3'将所述副边直流电信号转换为电压为V'_dc的副边直流电信号。进而通过电解电容C'_dc和电感L'_dc对副边直流电信号进行稳压和滤波，输出直流电信号以向负载供电。

在现有技术中，一方面，由于环境因素影响，发射端和接收端分别只采用一个电容进行滤波无法有效滤除环境因素产生的干扰信号，引起发送线圈和接收线圈中电流出现较大的波动，导致无线电能传输系统供电不稳定。另一方面，接收端采用单接收线圈结构，一旦接收线圈出现故障，导致整个无线能量传输系统故障，电能传输鲁棒性较低。由此，现有技术的无线电能传输电路供电稳定性和可靠性方面有严重的不足，极大地限制了无线能量传输系统在一些对能量传输稳定性要求高的特殊场合的使用。

图2是现有技术的无线电能传输系统的电路图。如图2所示，现有技术的无线电能传输系统的电路包括发射端和接收端，发射端包括逆变电路1”、LC补偿电路2”和发射线圈L”₁。接收端包括接收线圈L”₂、接收线圈L”₃、电容C”_s1、电容C”_s2、两个整流电路和滤波电容C”_f。LC补偿电路2”包括电感L”_p和电容C”_p。其中，逆变电路1”连接到电感L”_p，C”_p连接在电感L”_p和发射线圈L”₁之间。电容C”_s1连接在接收线圈L”₂和一个整流电路之间，电容C”_s2连接在接收线圈L”₃和另一个整流电路之间。两个整流电路均由四个二极管组成，并且两个整流电路连接到滤波电容C”_f。

在现有技术中，对于发射端，直流输入信号经过逆变电路1”后产生高频交流电，进而通入LC补偿电路2”中形成正弦交流电，同时在发射线圈L”₁周边空间形成高频交变磁场。对于输出端，接收线圈L”2和接收线圈L”₃分别感应交流电流i”₂和i”₃，分别经过电容C”_s1和电容C”_s2进行滤波，然后经过由整流电路整流，最后通过滤波电容C”_f进行滤波，为负载R”_L供电。

在现有技术中，发射端采用LC补偿电路，接收端采用S补偿(即接收线圈L”₂、接收线圈L”₃分别串联电容C”_s1、电容C”_s2)，使得两个接收电路互相干扰，系统分析和设计复杂，实用性差。也就是说，图2示出的现有技术的无线电能传输电路不容易对系统响应做出精确的分析和控制，并且在发生故障的时候也会大大增加问题分析和排查的难度。针对这种情况，本发明实施例通过在发射端和接收端采用LCC补偿电路，并且接收端包括相互并列的多个接收电路，以实现无线电能的稳定传输，同时可以增加无线电能传输效率，并且提高了无线电能传输系统鲁棒性。具体地，可以参考图3。

图3是本发明一个实施例的无线电能传输系统的示意图。如图3所示，本实施例的无线电能传输系统包括无线电能发射端1和无线电能接收端2。其中，无线电能发射端1包括逆变电路11a和原边LCC补偿电路11b。无线电能接收端2包括相互并列的多个接收电路21、22和2n(n的值大于等于3)。

可选的，无线电能发射端1还可以包括电能输入装置，所述电能输入装置连接到逆变电路11a，用于提供直流形式的输入信号。其中，电能输入装置例如电池。在如下的描述中，以无线电能发射端1包括电能输入装置为例进行说明。

在本实施例中，逆变电路11a连接在电能输入装置和原边LCC补偿电路11b之间。

在本实施例中，无线电能发射端1还包括发射线圈。其中，原边LCC补偿电路11b连接在逆变电路11a和发射线圈之间。

在本实施例中，无线电能接收端2中各接收电路包括副边LCC补偿电路和输出电路。具体地，接收电路21包括副边LCC补偿电路21a和输出电路21b。接收电路22包括副边LCC补偿电路22a和输出电路22b。接收电路2n包括副边LCC补偿电路2na和输出电路2nb。其中，无线电能接收端2的输出信号可以为负载装置供电。

在本实施例中，无线电能接收端2中各接收电路还包括接收线圈。其中，各接收电路的副边LCC补偿电路连接在接收线圈和输出电路之间。

可选的，输出电路可以包括负载装置。在如下的描述中，输入电池即电能输入装置，负载电池即负载装置。同时，以输出电路包括负载装置为例进行说明。

在本实施例中，对于无线电能发射端1，通过逆变电路11a将输入电池提供的直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，然后原边LCC补偿电路11b对所述输出信号进行补偿，输出交流电信号。再通过发射线圈以无线的方式向无线电能接收端2中相互并列的多个接收电路21、22、2n发送交流电信号。对于无线电能接收端2，多个相互并列的接收电路21、22、2n通过接收线圈以无线方式接收交流电信号。然后各接收电路的副边LCC补偿电路对交流电信号进行补偿，进而通过输出电路将补偿后的交流电信号转换为直流电信号输出，为负载电池供电。由此，可以实现无线电能的传输。

应理解，本实施例以无线电能传输系统包括一个无线电能发射端和一个无线电能接收端为例进行说明，但本发明实施例对无线电能传输系统包括的无线电能发射端和无线电能接收端的数量不做限制。具体地，可以根据用户需求设置无线电能发射端和无线电能接收端的数量，无线电能传输系统可以包括一个无线电能发射端和多个无线电能接收端，无线电能传输系统也可以包括多个无线电能发射端和多个无线电能接收端。进一步地，本实施例以无线电能接收端包括并列的三个接收电路为例进行说明，但无线电能接收端包括的接收电路的数量也可以根据户需求设置。由此，如果某个无线电能接收端或无线电能接收端的某个接收电路出现故障而无法输出电流，可以由其他无线电能接收端或接收电路继续为负载提供电能，极大提高了无线电能传输系统的稳定性。同时，通过设置多个无线电能接收端，并且每个无线电能接收端设置多个接收电路，使得无线电能传输系统鲁棒性极大增强，任一无线电能接收端出现故障对整个无线电能传输系统的影响较小。

本发明实施例通过无线电能发射端的逆变电路将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，然后通过原边LCC补偿电路对输出信号进行补偿输出交流电信号，并且以无线的方式向无线电能接收端发送交流电信号，进而无线电能接收端的多个接收电路中副边LCC补偿电路对交流电信号进行补偿，最后通过输出电路将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。由此，可以实现电能无线传输，并且多个接收电路可以同时向负载供电，从而提高电能传输效率，同时，当任意接收电路发生故障时，无线电能系统依然能够保证负载的正常工作，提高了电能传输鲁棒性。

进一步地，无线电能发射端1的电路可以参考图4。

图4是本发明一个实施例中无线电能发射端的电路图。如图4所示，本实施例的无线电能发射端包括逆变电路11a、原边LCC补偿电路11b和发射线圈L₀。其中，逆变电路11a包括受控开关组，所述受控开关组包括多个受控开关S₁、S₂、S₃和S₄。原边LCC补偿电路11b包括原边补偿电感L_f,0。第三补偿电容C₀和第四补偿电容C_f,0。

在本实施例中，受控开关组中各受控开关为MOS管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，简称金氧半场效晶体管，包括NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体)管和PMOS(P-Metal-Oxide-Semiconductor，P型金属-氧化物-半导体)。其中，PMOS管靠空穴的流动运送电流，栅极低电平导通，高电平关断。NMOS管靠电子的流动运送电流，栅极高电平导通，低电平关断。

在本实施例中，受控开关组中各受控开关分别与一个二极管、一个电容并联。具体地，以受控开关S₃为例进行说明，受控开关S₃分别与二极管D_3'、电容C_3'并联。其中，二极管D_3'用于电路保护，也即防止mos管反向击穿，并且在换相时维持电流的持续流动。电容C_3'用于稳压和滤波。

在本实施例中，受控开关S₁连接在输入电池和受控开关S₃之间。受控开关S₃连接在输入电池和受控开关S₁之间。受控开关S₂连接在输入电池和受控开关S₄之间。受控开关S₄连接在输入电池和受控开关S₂之间。其中，受控开关S₁和受控开关S₃串联，受控开关S₂和受控开关S₄串联，受控开关S₁、受控开关S₃和受控开关S₂、受控开关S₄并联。

在本实施例中，原边补偿电感L_f,0一端连接到受控开关S₁和受控开关S₃之间的节点，另一端连接到第三补偿电容C₀。

第三补偿电容C₀连接在原边补偿电感C_f,0和发射线圈L₀之间。

第四补偿电容C_f,0一端连接到受控开关S₂和受控开关S₄之间的节点，另一端连接到第三补偿电容C₀和原边补偿电感L_f,0之间的节点。其中，第四补偿电容C_f,0与发射线圈L₀并联。

在本实施例中，对于无线电能发射端1，输入电池提供电压为V_dc的直流形式的输入信号，通过逆变电路11a转换为电压为u_in的交流形式的输入信号，并且输入信号的电流为i_in。然后原边LCC补偿电路11b对输入信号进行补偿，输出交流电信号，所述交流电信号的电流为i₀。进一步地，发射线圈L₀周边空间形成高频交变磁场，以无线的方式向无线电能接收端2发送交流电信号。由此，可以实现无线电能的发送。并且，由于无线电能发射端的原边LCC补偿电路采用LCC补偿，简化了电路设计，提高了无线电能系统的稳定性。

本发明实施例通过无线电能发射端的逆变电路将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，然后通过原边LCC补偿电路对输出信号进行补偿输出交流电信号，并且以无线的方式向无线电能接收端发送交流电信号。由此，可以实现电能无线发送，简化了电路设计，实用性较高，并且提高了电能传输鲁棒性。

进一步地，无线电能接收端2的电路可以参考图5。

图5是本发明一个实施例中无线电能接收端的电路图。如图5所示，本实施例的无线电能接收端包括相互并列的多个接收电路。各接收电路包括副边LCC补偿电路、输出电路和接收线圈。

在本实施例中，首先以接收电路22为例进行说明。接收电路22包括副边LCC补偿电路22a、输出电路22b和接收线圈L₂。其中，副边LCC补偿电路22a包括第一补偿电容C₂、第二补偿电容C_f,2和副边补偿电感L_f,2。输出电路22b包括整流电路22b1、稳压电容C_dc和输出电感L_dc。整流电路22b1包括第一二极管D₅、第二二极管D₆、第三二极管D₇和第四二极管D₈。其中，整流电路22b1为全桥整流电路。

在本实施例中，第一补偿电容C₂连接在接收线圈L₂和副边补偿电感L_f,2之间。

第二补偿电容C_f,2一端连接到整流电路22b1中第二二极管D₆、第四二极管D₈之间的节点，另一端连接到第一补偿电容C₂和副边补偿电感L_f,2。同时，第二补偿电容C_f,2与接收线圈L₂并联。

副边补偿电感L_f,2连接在第一补偿电容C₂和整流电路22b1中第一二极管D₅、第三二极管D₇之间的节点。

第一二极管D₅连接在副边LCC补偿电路22a中副边补偿电感L_f,2和输出电感L_dc之间。

第二二极管D₆连接在副边LCC补偿电路22a中第二补偿电容C_f,2和输出电感L_dc之间之间。

第三二极管D₇连接在副边LCC补偿电路22a中第二补偿电容C_f,2和负载电池之间。同时，第一二极管D₅和第三二极管D₇串联。

第四二极管D₈连接在副边LCC补偿电路22a中第二补偿电容C_f,2和负载电池之间。同时，第二二极管D₆和第四二极管D₈串联。其中，第一二极管D₅、第三二极管D₇和第二二极管D₆、第四二极管D₈并联。

稳压电容C_dc连接在整流电路22b1和负载电池之间。其中，稳压电容C_dc可以为电解电容。

输出电感L_dc连接在整流电路22b1和负载电池之间。同时，稳压电容C_dc和输出电感L_dc并联。

在本实施例中，接收线圈L₂以无线方式接收交流电信号，也即感应的交流电流i₂，经副边LCC补偿电路22a对交流电信号进行补偿，补偿后的交流电信号电流为i_f,2。然后通过输出电路22b中整流电路22b1将补偿后的交流电信号转换为副边直流电信号，所述副边直流电信号电流为i_DC,2。为进一步地，通过稳压电容C_dc对副边直流电信号进行稳压处理，再通过输出电感L_dc对稳压后的副边直流电信号进行滤波，输出直流电信号。由此，接收电路22可以实现无线电能接收。

在本实施例中，对于接收电路21，包括副边LCC补偿电路21a、输出电路21b和接收线圈L₁。其中，副边LCC补偿电路21a包括第一补偿电容C₁、第二补偿电容C_f,1和副边补偿电感L_f,1。输出电路21b包括整流电路21b1、稳压电容C_dc和输出电感L_dc。整流电路21b1包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄。其中，整流电路21b1为全桥整流电路。

在本实施例中，第一补偿电容C₁连接在接收线圈L₁和副边补偿电感L_f,1之间。

第二补偿电容C_f,1一端连接到整流电路21b1中第二二极管D₂、第四二极管D₄之间的节点，另一端连接到第一补偿电容C₁和副边补偿电感L_f,1。同时，第二补偿电容C_f,1与接收线圈L₁并联。

副边补偿电感L_f,1连接在第一补偿电容C₁和整流电路21b1中第一二极管D₁、第三二极管D₃之间的节点。

第一二极管D₁连接在副边LCC补偿电路21a中副边补偿电感L_f,1和输出电感L_dc之间。

第二二极管D₂连接在副边LCC补偿电路21a中第二补偿电容C_f,1和输出电感L_dc之间之间。

第三二极管D₃连接在副边LCC补偿电路21a中第二补偿电容C_f,1和负载电池之间。同时，第一二极管D₁和第三二极管D₃串联。

第四二极管D₄连接在副边LCC补偿电路21a中第二补偿电容C_f,1和负载电池之间。同时，第二二极管D₂和第四二极管D₄串联。其中，第一二极管D₁、第三二极管D₃和第二二极管D₂、第四二极管D₄并联。

在本实施例中，接收线圈L₁以无线方式接收交流电信号，也即感应的交流电流i₁，经副边LCC补偿电路21a对交流电信号进行补偿，补偿后的交流电信号电流为i_f,1。然后通过输出电路21b中整流电路21b1将补偿后的交流电信号转换为副边直流电信号，所述副边直流电信号电流为i_DC,1。进一步地，通过稳压电容C_dc对副边直流电信号进行稳压处理，再通过输出电感L_dc对稳压后的副边直流电信号进行滤波，输出直流电信号。由此，接收电路21可以实现无线电能接收。

在本实施例中，对于接收电路2n(n的值大于等于3)，包括副边LCC补偿电路2na、输出电路2nb和接收线圈L_n。其中，副边LCC补偿电路2na包括第一补偿电容C_n、第二补偿电容C_f,n和副边补偿电感L_f,n。输出电路2nb包括整流电路2nb1、稳压电容C_dc和输出电感L_dc。整流电路2nb1包括第一二极管D_4n-3、第二二极管D_4n-2、第三二极管D_4n-1和第四二极管D_4n。其中，整流电路2nb1为全桥整流电路。进一步地，接收电路2n中各器件的连接方式与接收电路21、接收电路22类似，本发明在此不再赘述。

在本实施例中，接收线圈L_n以无线方式接收交流电信号，也即感应的交流电流i_n，经副边LCC补偿电路2na对交流电信号进行补偿，补偿后的交流电信号电流为i_f,n。然后通过输出电路2nb中整流电路2nb1将补偿后的交流电信号转换为副边直流电信号，所述副边直流电信号电流为i_DC,n。进一步地，通过稳压电容C_dc对副边直流电信号进行稳压处理，再通过输出电感L_dc对稳压后的副边直流电信号进行滤波，输出直流电信号。由此，接收电路2n可以实现无线电能接收。

在本实施例中，多个并列的接收电路21、22和2n通过输出电感L_dc输出对应的直流电信号为负载电池供电，各直流电信号的电流之和的平均值为输出电流I_RL，输出电压为V_dc。

本发明实施例通过无线电能接收端中并列的多个接收电路中副边LCC补偿电路对交流电信号进行补偿，输出电路中整流电路将补偿后的交流电信号转换为副边直流电信号，然后通过稳压电容和输出电感对副边直流电信号进行稳压处理和滤波。由此，可以实现电能无线接收。由于无线电能接收端采用了并列的多个接收电路，并且每个接收电路都采用LCC补偿，使得每个接收电路的输出电流相互独立，不会互相干扰，简化了电路设计，提高了无线电能传输系统实用性。同时，本实施例的无线电能接收端可以根据需求设置接收电路的数量，进一步提高无线电能传输系统稳定性。

进一步地，以图4和图5示出的电路图为例，将无线电能发射端1和无线电能接收端2以无线的方式连接，可以参考图6。

图6是本发明一个实施例的无线电能传输系统的电路图。如图6所示，发射线圈L₀和接收线圈L₁的互感系数为M₁，发射线圈L₀和接收线圈L₂的互感系数为M₂，发射线圈L₀和接收线圈L_n的互感系数为M_n。

在本实施例中，无线电能发射端的输入电池提供电压为V_dc的直流形式的输入信号，通过逆变电路11a转换为电压为u_in的交流形式的输出信号，并且输出信号的电流为i_in。如果逆变电路11a工作于180°导通模式，逆变电路11a输出信号的电压u_in可以通过公式(1)确定。

其中，V_dc为输入电池提供的电压值。

在本实施例中，原边LCC补偿电路11b对输入信号进行补偿，输出交流电信号，所述交流电信号的电流为i₀。原边LCC补偿电路11b中谐振角频率ω₀满足公式(2)。

其中，L_f,0是原边补偿电感L_f,0的电感值，C_f,0是第四补偿电容C_f,0的电容值，L₀是发射线圈L₀的电感值，C₀是第三补偿电容C₀的电容值，C_f,0是第四补偿电容的电容值。

在本实施例中，交流电信号的电流i₀，也即发射线圈L₀发送的交流电信号的电流，可以通过公式(3)确定。

其中，u_in是逆变电路11a的输出信号的电压，j是虚部，ω₀是谐振角频率，L_f,0是原边补偿电感L_f,0的电感值。由此，流过发射线圈L₀的电流i₀和逆变电路11a的输出信号的电压u_in、谐振角频率ω₀以及原边补偿电感L_f,0的电感值有关，和负载无关。如果输出信号的电压u_in、谐振角频率ω₀以及原边补偿电感L_f,0的参数确定，交流电信号的电流i₀不变。

在本实施例中，接收线圈L₁、L₂和L_n以无线方式接收交流电信号，也即感应的交流电信号的电流分别为i₁、i₂和i_n。对应地，感应的交流信号的电压分别为u₁、u₂和u_n。其中，各接收线圈感应的交流信号的电压u₁、u₂和u_n可以通过公式(4)确定。

其中，j是虚部，ω₀是谐振角频率，i₀是发射线圈L₀发送的交流电信号的电流值，M₁是发射线圈L₀和接收线圈L₁的互感系数，M₂是发射线圈L₀和接收线圈L₂的互感系数，M_n是发射线圈L₀和接收线圈L_n的互感系数。由此，接收线圈L₁、L₂、L_n感应的交流信号的电压u₁、u₂、u_n和交流电信号的电流值i₀以及互感系数M₁、M₂、M_n有关。如果交流电信号的电流值i₀和互感系数M₁、M₂、M_n的参数确定，各接收线圈感应的交流电压不变。

在本实施例中，副边LCC补偿电路21a、22a和2na将对应的各接收线圈感应的交流信号进行补偿，补偿后的交流电信号电流分别为i_f,1、i_f,2和i_f,n。其中，副边LCC补偿电路21a、22a、2na中谐振角频率ω₀中满足公式(5)。

其中，L_f,1是副边补偿电感L_f,1的电感值，C_f,1第二补偿电容C_f,1的电容值，L₁是接收线圈L₁的电感值，C₁是第一补偿电容C₁的电容值。L_f,n是副边补偿电感L_f,n的电感值。C_f,n第二补偿电容C_f,n的电容值，L_n是接收线圈L_n的电感值，C_n是第一补偿电容C_n的电容值。

在本实施例中，补偿后的交流电信号的电流分别为i_f,1、i_f,2和i_f,n可以通过公式(6)确定。

其中，u_in是逆变电路11a的输出信号的电压，L_f,1是副边补偿电感L_f,1的电感值，L_f,2是副边补偿电感L_f,2的电感值，L_f,n是副边补偿电感L_f,n的电感值，L_f,0是原边补偿电感L_f,0的电感值。由此，各接收电路中补偿后的交流电信号，也即流入整流电路21b1、22b1、2nb1的电流i_f,1、i_f,2、i_f,n和逆变电路11a的输出信号的电压u_in、谐振角频率ω₀、互感系数M₁、M₂、M_n、原边补偿电感L_f,0以及副边补偿电感L_f,1、L_f,2、L_f,n有关。如果输出信号的电压u_in、谐振角频率ω₀、互感系数M₁、M₂、M_n、原边补偿电感L_f,0以及副边补偿电感L_f,1、L_f,2、L_f,n的参数确定，流入整流电路21b1、22b1、2nb1的电流i_f,1、i_f,2、i_f,n不变。也就是说，流入各整流电路的电流独立且互不影响。

在本实施例中，补偿后的交流电信号电流i_f,1、i_f,2、i_f,n的分配比例可以通过公式(7)确定。

由此，补偿后的交流电信号电流i_f,1、i_f,2、i_f,n的绝对值的比例和互感系数M₁、M₂、M_n以及副边补偿电感L_f,1、L_f,2、L_f,n有关。也就是说，通过调整互感系数和副边补偿电感，可以调整各接收电路中补偿后的交流电信号电流分配比例。

在本实施例中，整流电路21b1、22b1、2nb1将补偿后的交流电信号转换为对应的副边直流电信号，对应的副边直流电信号电流i_DC,1、i_DC,2、i_DC,n分别为流入整流电路21b1、22b1、2nb1的电流i_f,1、i_f,2、i_f,n的绝对值，也即公式(8)。

在本实施例中，各整流电路输出的副边直流电信号经过稳压电容C_dc、输出电感L_dc进行稳压处理和滤波后输出对应的直流电信号，各直流电信号的电流之和的平均值为输出电流I_RL。

多个并列的接收电路21、22和2n通过输出电感L_dc输出对应的直流电信号为负载电池供电，各直流电信号的电流之和的平均值为输出电流I_RL。输出电流I_RL可以通过公式(9)确定。

其中，T为各整流电路输出的副边直流电信号的总个数。也就是说，输出电流I_RL为各副边直流电信号电流i_DC,1、i_DC,2、i_DC,n积分后与副边直流电信号的总个数的比值。

可选的，如果各接收电路中接收线圈L₁、L₂、L_n的等效负载分别为R_L1、R_L2、R_Ln，则等效负载R_L1、R_L2、R_Ln在收线圈L₁、L₂、L_n上的等效阻抗Z_sL1、Z_sL2、Z_sLn可以通过公式(10)确定。

其中，ω₀是谐振角频率，L_f,1是副边补偿电感L_f,1的电感值，L_f,2是副边补偿电感L_f,2的电感值，L_f,n是副边补偿电感L_f,n的电感值。

可选的，根据基尔霍夫电流定律，由公式(10)可以得到公式(11)。

其中，u_0,1、u_0,2、u_0,n分别为接收线圈L₁、L₂、L_n感应的交流信号的电压值，i₁、i₂、i_n分别为接收线圈L₁、L₂、L_n感应的交流电信号的电流值，i₀为发射线圈L₀发送的交流电信号的电流值。进一步地，根据公式(11)可以确定接收线圈L₁、L₂、L_n在发射线圈L₀上的等效反射阻抗Z_f1、Z_f2、Z_fn。具体地推导过程可以参考公式(12)。

其中，i₀是发射线圈L₀发送交流电信号的电流值，Z_sL1、Z_sL2、Z_sLn为等效负载R_L1、R_L2、R_Ln在收线圈L₁、L₂、L_n上的等效阻抗。进一步地，根据公式(12)可以确定原边LCC补偿电路11b的输入阻抗Z_in。具体地推导过程可以参考公式(13)。

由此，根据谐振角频率ω₀、原边补偿电感L_f,0、副边补偿电感L_f,1、L_f,2、L_f,n、互感系数M₁、M₂、M_n以及接收线圈L₁、L₂、L_n的等效负载R_L1、R_L2、R_Ln可以确定原边LCC补偿电路11b的输入阻抗Z_in。同时，输入阻抗Z_in为阻性，可以减小逆变电路输出的无功功率，并且减小系统损耗。

本发明实施例通过无线电能发射端的逆变电路将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号，然后通过原边LCC补偿电路对输出信号进行补偿输出交流电信号，并且以无线的方式向无线电能接收端发送交流电信号，进而无线电能接收端的多个接收电路中副边LCC补偿电路对交流电信号进行补偿，最后通过输出电路将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。由此，可以实现电能无线传输，并且多个接收电路可以同时向负载供电，从而提高电能传输效率，同时，当任意接收电路发生故障时，无线电能系统依然能够保证负载的正常工作，提高了电能传输鲁棒性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线电能接收端，其特征在于，所述无线电能接收端包括相互并列的多个接收电路，各所述接收电路包括：

接收线圈，被配置为以无线方式接收交流电信号；

副边LCC补偿电路，与所述接收线圈连接，被配置为对所述交流电信号进行补偿；以及

输出电路，与所述副边LCC补偿电路连接，被配置为将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。

2.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其特征在于，所述输出电路包括：

整流电路，与所述副边LCC补偿电路连接，被配置为将补偿后的交流电信号转换为副边直流电信号。

3.根据权利要求2所述的无线电能接收端，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路。

4.根据权利要求2所述的无线电能接收端，其特征在于，所述输出电路还包括：

稳压电容，连接在所述整流电路和负载之间，被配置为对所述副边直流电信号进行稳压处理；以及

输出电感，连接在所述整流电路和所述负载之间，被配置为对稳压后的副边直流电信号进行滤波，输出所述直流电信号；

其中，所述稳压电容和所述输出电感并联。

5.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其特征在于，所述副边LCC补偿电路包括：

副边补偿电感，连接在所述整流电路和第一补偿电容之间；

第一补偿电容，连接在所述副边补偿电感和所述接收线圈之间；以及

第二补偿电容，连接在所述整流电路和所述第一补偿电容之间，所述第二补偿电容和所述接收线圈并联。

6.根据权利要求4所述的无线电能接收端，其特征在于，所述整流电路包括：

第一二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述输出电感之间；

第二二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述输出电感之间；

第三二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述负载之间，所述第一二极管和所述第三二极管串联；以及

第四二极管，连接在所述副边LCC补偿电路和所述负载之间，所述第二二极管和所述第四二极管串联；

其中，所述第一二极管、所述第三二极管和所述第二二极管、所述第四二极管并联。

7.一种无线电能发射端，其特征在于，所述无线电能发射端包括：

逆变电路，被配置为将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号；

原边LCC补偿电路，被配置对所述输出信号进行补偿，输出交流电信号；以及

发射线圈，与所述原边LCC补偿电路连接，被配置为以无线的方式向无线电能接收端发送所述交流电信号。

8.根据权利要求7所述的无线电能发射端，其特征在于，所述原边LCC补偿电路包括：

原边补偿电感，连接在所述逆变电路和第三补偿电容之间；

第三补偿电容，连接在所述原边补偿电感和所述发射线圈之间；以及

第四补偿电容，连接在所述逆变电路与所述第三补偿电容之间，所述第四补偿电容和所述发射线圈并联。

9.根据权利要求7所述的无线电能发射端，其特征在于，所述逆变电路包括受控开关组，所述受控开关组包括多个受控开关，所述受控开关为金属氧化物半导体场效应晶体管。

10.一种无线电能传输系统，其特征在于，所述无线电能传输系统包括：

无线电能发射端，所述无线电能发射端包括：

逆变电路，被配置为将直流形式的输入信号转换为交流形式的输出信号；

原边LCC补偿电路，被配置对所述输出信号进行补偿，输出交流电信号；

发射线圈，与所述原边LCC补偿电路连接，被配置为以无线的方式向无线电能接收端发送所述交流电信号；以及

至少一个无线电能接收端，所述无线电能接收端包括相互并列的多个接收电路，各所述接收电路包括：

接收线圈，被配置为以无线方式接收所述交流电信号；

副边LCC补偿电路，与所述接收线圈连接，被配置为对所述交流电信号进行补偿；

输出电路，与所述副边LCC补偿电路连接，被配置为将补偿后的交流电信号转换为直流电信号。

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