CN210608706U - 一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、原边补偿网络、初级线圈、次级线圈、副边补偿网络、整流滤波电路，在原边另外增加了恒流恒压切换部分，包括交流输入、串联补偿电容、串联线圈和切换开关依次串联构成。其中原边补偿网络需保证切换开关闭合时，流过次级线圈上的电流恒定。此系统可以通过控制切换开关的开通或闭合，实现恒流恒压切换。所提出方法能够在频率不变的情况下实现充电模式的切换，有利于系统工作稳定，并且解决目前已有控制方法添加器件过多、控制成本及复杂性增加的问题，简单方便的实现恒流恒压充电模式的切换。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，属于电能变化领域。
背景技术
感应式无线电能传输技术以非接触方式通过磁场向用电设备进行安全可靠的电能传输，避免了传统插拔式电能传输系统存在的漏电、接触式电火花、潮湿环境危险等问题。该技术已经广泛用于电动汽车、AGV小车、内置式医疗装置、便携型电子产品领域。
现有的无线充电系统的主要构成及工作过程如附图2所示：工频交流电经过整流变为直流电，而后经过逆变器又变为高频交流电，高频交流电注入初级线圈，产生交变的高频磁场，次级线圈在此高频磁场中感应得到感应电动势，该电动势通过高频整流后重新变为直流电，向负载提供电能。
在目前情况下，最常见的负载是电池，但由于电池的等效电阻是不断变化的，而且其充电过程包含恒流和恒压两个充电阶段，即在充电初期采用恒流模式，使电池的电压可以迅速上升；当电池电压达到所需值时，将充电方式变为恒压模式，维持电压稳定，使充电电流逐渐减小直至截止电流，至此充电完成。此种充电方式要求对电池进行充电的无线电能传输系统可以提供恒定的电流和电压，这样不仅可以实现电池安全可靠充电，同时也可以延长电池的使用寿命和充放电次数。
感应式无线电能传输系统实现恒流恒压切换充电的常用方法目前有三种：一、“Mickel Budhia，Grant A.Covic，John T.Boys，Design and Optimization of CircularMagnetic Structures for Lumped Inductive Power Transfer Systems”提出采用变频控制方法，即令无线电能传输系统在不同频率下分别实现恒压和恒流输出。但此种方法会引起频率分叉现象，造成系统工作不稳定。二、“陈国东，非接触电能传输系统恒流技术研究”中指出，可以在次级整流输出后加入DC-DC直流变换器进行调节，但该种方法为了避免极限占空比的出现，不适用于负载变化很大的情况，且新增直流变换电路增加了系统体积。三、在电路中引入闭环负反馈控制，“朱旺，恒流恒压无线充电系统研究”中提出采用移相控制方法，但此种方法也会增加过多器件，提升控制成本及复杂性。
如何得到一种输出可实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统电路，既能够在频率不变的情况下实现充电模式的切换，有利于系统工作稳定；还能够解决在次级整流输出后加入DC-DC直流变换器进行调节，或者采用移相控制方法时出现的增加器件过多、控制成本及复杂性增加的问题，简单方便的实现恒流恒压充电模式的切换，成为本实用新型的设计重点。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，能够在频率不变的情况下实现充电模式的切换。
技术方案：一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，包括发送模块、接收模块、恒流恒压切换模块，所述发送模块包括依次连接的直流电源、高频逆变器、原边补偿网络、初级线圈，所述接收模块包括依次连接的次级线圈、副边补偿网络、整流滤波电路以及负载；所述恒流恒压切换模块包括电容C、激励线圈L、切换开关S连接形成的串联回路，还包括激励源以及所述切换开关S的控制器K；其中，所述激励线圈L与初级线圈共用原边磁芯，所述激励线圈L与次级线圈通过互感M2耦合，所述初级线圈与次级线圈通过互感M1耦合；所述初级线圈在工作频率ω0下流过恒定电流。
进一步的，将所述恒流恒压切换模块的串联回路并联在所述高频逆变器的输出端，即将所述高频逆变器的输出作为激励源，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
进一步的，所述恒流恒压切换模块还包括高频逆变器H，将所述恒流恒压切换模块的串联回路并联在所述高频逆变器H的输出端，所述高频逆变器H的输入端并联在所述直流电源的输出端，即将所述直流电源与所述高频逆变器H级联后作为激励源，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
进一步的，所述恒流恒压切换模块的串联回路短接，激励线圈L与所述初级线圈通过互感M3耦合，即通过互感M3在激励线圈产生感应电势作为激励源，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
进一步的，所述初级线圈串联有无源元件Z，所述恒流恒压切换模块并联在无源元件Z两端，并且所述恒流恒压切换模块的电容C、激励线圈L与无源元件Z在系统工作频率下谐振。
进一步的，所述恒流恒压切换模块的串联回路短接，且其中一个节点与初级线圈的一端连接，所述初级线圈与所述恒流恒压切换模块的激励线圈为耦合电感，互感为M3，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
进一步的，所述发送模块还包括电感L1，所述电感L1与初级线圈串联连接，所述恒流恒压切换模块的串联回路中还串联有电感L2，所述电感L1与电感L2为耦合电感，互感为M3，并且所述恒流恒压切换模块的电容C、激励线圈L与电感L2在系统工作频率下谐振。
进一步的，所述切换开关S为MOSFET或IGBT或晶闸管。
进一步的，所述原边补偿网络为LCC结构或CL结构或CLC结构或LCL结构或LC结构，所述副边补偿网络为LCC结构或LCL结构或S结构。
有益效果：本实用新型提出一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，只需在初级电路加入一个电容、一个开关和一个线圈组成的恒流恒压切换电路，其电路结构简单，成本低。工作时只需简单的控制开关的切换，就可以实现电路输出恒流恒压的切换，其控制简单、方便、可靠，没有复杂的控制策略，也无需初级电路和初级电路进行通信。并且系统能在同一工作频率下输出与负载无关的恒定电流和恒定电压，满足电池初期恒流充电、后期恒压充电的要求。系统工作在一个频率点下，不会出现频率分叉现象，系统工作稳定。
附图说明
图1是一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统拓扑电路示意图；
图2是现有的无线充电系统的主要构成示意图；
图3是本实用新型原边可用的补偿网络电路示意图；其中附图3a是LC补偿网络示意图；附图3b是CL补偿网络示意图；附图3c是CLC补偿网络示意图；附图3d是LCL补偿网络示意图；附图3e是LCC补偿网络示意图；
图4是本实用新型实施例一的示意图；
图5是图4的基波等效电路示意图；
图6是实施例一的电路仿真结果恒流输出特性曲线；
图7是实施例一的电路仿真结果恒压输出特性曲线；
图8是本实用新型实施例二的示意图；
图9是图8的基波等效电路示意图；
图10是本实用新型实施例三的示意图；
图11是图10的基波等效电路示意图；
图12是本实用新型实施例四的示意图；
图13是图12中恒流恒压切换模块的基波等效电路示意图；
图14是本实用新型实施例五的示意图；
图15是图14的基波等效电路示意图；
图16是本实用新型可实施例六的示意图；
图17是图16的基波等效电路示意图；
图18是本实用新型实施例七的示意图；
图19是图18的基波等效电路示意图；
图20是本实用新型实施例八的示意图；
图21是图20的基波等效电路示意图；
图22是本实用新型实施例九的示意图
图23是图22的基波等效电路示意图；
图24是本实用新型实施例十的示意图；
图25是图24中恒流恒压切换模块的基波等效电路示意图；
图26是本实用新型实施例十一的示意图；
图27是图26的基波等效电路示意图；
图28是本实用新型实施例十二的示意图；
图29是图28的基波等效电路示意图；
图30是本实用新型实施例十三的示意图；
图31是图30的基波等效电路示意图；
图32是本实用新型实施例十四的示意图；
图33是图32的基波等效电路示意图；
图34是本实用新型实施例十五的示意图；
图35是图34的基波等效电路示意图；
图36是本实用新型实施例十六的示意图；
图37是图36中恒流恒压切换模块分的基波等效电路示意图；
图38是本实用新型实施例十七的示意图；
图39是图38的基波等效电路示意图；
图40是本实用新型实施例十八的示意图；
图41是图40的基波等效电路示意图；
图中的主要符号名称：1—直流电源，2—高频逆变器，3—原边补偿网络，4—初级线圈，5—次级线圈，6—副边补偿网络，7—整流滤波网络，8—负载，9—恒流恒压切换模块，C—恒流恒压切换模块中的串联电容，L—恒流恒压切换模块中的激励线圈，S—切换开关，K—控制器，
—恒流恒压切换模块中基波等效交流电压，Lf1—原边串联补偿电感，Cf1—原边并联补偿电容，C1—原边串联补偿电容，Lp—初级线圈，Ls—次级线圈，C2—副边串联补偿电容，Cf2—副边并联补偿电容，Lf2—副边串联补偿电感，R—负载电阻，Vin—直流电源，
—逆变输出侧基波等效电压，
—逆变输出侧基波等效电流，
—流经Lf1的基波等效电流，
—流经Lp的基波等效电流，
—流经Ls的基波等效电流，
—整流输入侧基波等效电流，
—整流输入侧基波等效电压，
—流经L的基波等效电流，Io—输出电流，Vo—输出电压，RE—整流滤波电路等效负载电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做更进一步的解释。
如图1所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，包括发送模块、接收模块、恒流恒压切换模块。发送模块分包括依次连接的直流电源1、高频逆变器2、原边补偿网络3、初级线圈4，接收模块包括依次连接的次级线圈5、副边补偿网络6、整流滤波电路7以及负载8。恒流恒压切换模块包括电容C、激励线圈L、切换开关S连接形成的串联回路，还包括激励源以及切换开关S的控制器K。其中，激励线圈L与初级线圈4共用原边磁芯，激励线圈L与次级线圈5通过互感M2耦合；初级线圈4在工作频率ω0下流过恒定电流，电容C和激励线圈L能够在系统工作频率下谐振。
为提高系统效率，系统一般工作在谐振频率点附近，谐振电感电流近似正弦，则可以采用基波近似分析法，将谐振网络中的变量都用其基波分量替代。将高频逆变器输出等效为一个交流电压源
当整流滤波电路连续导通时，整流桥的桥臂中点电压和电流始终同相，整流滤波电路等效为一个负载电阻RE，满足RE＝8/π2RL，RL为负载电阻。其中高频逆变器2的可选电路很多，包括推挽、半桥、全桥电路等，整流滤波电路7的可选电路也很多，包括桥式整流、全波整流、半波整流、倍流整流、倍压整流等。
本实用新型通过控制或者补偿网络变换的方式实现初级线圈4在工作频率ω0下流过恒定电流，补偿网络变换方式采用电压源激励串联原边补偿网络3。本实用新型中的原边补偿网络可以是LC、CL、CLC、LCL、LCC结构，具体如附图3所示。接下来将以LCC为原边补偿网络，LCC、LCL、S依次为副边补偿网络，通过18个实施例对本实用新型进行详细解释。
其中实施例1到实施例6为一组，它们的电路拓扑结构原副边补偿网络均为LCC结构；实施例7到实施例12为一组，它们的电路拓扑结构原边补偿网络为LCC结构，副边补偿网络为LCL结构；实施例13到实施例18为一组，它们的电路拓扑结构原边补偿网络为LCC结构，副边补偿网络为S结构。每一组中的六个实施例具体区别在于其恒压恒流切换电路的具体结构及与主电路连接方式不同。
实施例1
如图4所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，包括直流电源Vin、高频逆变器2、原边补偿网络3、初级线圈Lp、次级线圈Ls、副边补偿网络6、整流滤波电路7与负载8，还包括恒流恒压切换模块9。其中原边补偿网络3为LCC补偿，补偿电容C1与初级线圈Lp串联后与Cf1并联连接，再与补偿电感Lf1串联连接后，整体与逆变桥输出直接相并联。副边补偿网络6也采用LCC补偿，次级线圈Ls与补偿电容C2与串联后与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
恒流恒压切换模块9包括电容C、激励线圈L、切换开关S连接形成的串联回路，激励线圈L与次级线圈Ls间通过互感M2耦合，切换开关S连接有控制器K。恒流恒压切换模块9还包括激励源，本实施例中，串联回路并联在高频逆变器2的输出端，即将高频逆变器2的输出作为激励源。切换开关S用于切换无线电能传输拓扑恒流输出和恒压输出两种工作模式，切换开关S的断开/闭合由控制器K控制，切换开关S为MOSFET或IGBT或晶闸管。其中，电容C为一个电容或多个电感电容串联和/或并联。
图5给出了图4的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
此外，为了实现原边开关管的ZVS，提高高频逆变器效率，需要设计补偿参数C1使得输入阻抗Zin为弱感性
即对应的输入阻抗角
其中，Im表示取虚部，Re表示取实部，化简可得C1的容值应设计满足：
式(1)、(2)、(3)、(4)中，ω0为系统的谐振角频率。
本实施例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒流/恒压输出的切换。
本实施例中，满足以上条件的情况下，可经过计算设计一组具体参数：Lf1为46.1μH、Cf1为76.05nF、C1为7.5nF、C为10.02nF、Lf2为46.1μH、Cf2为76.05nF、C2为11.5nF，Lp、Ls与L相等均为350μH，且耦合系数k1与k2均为0.2，输入直流电源Vin为400V，负载电阻由5～40Ω变化。将参数代入所搭建的电路进行仿真，仿真结果如图6、图7所示。
图6为开关断开时，输出电流随负载变化而变化的曲线，此时输出电流基本不变；图7为开关闭合时，输出电压随负载变化而变化的曲线，此时输出电压基本不变。因此可以从图6图7中看出，通过控制切换开关S的断开/闭合，可以控制感应式无线充电系统实现恒流恒压切换。
实施例2
如图8所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：恒流恒压切换模块还包括高频逆变器H，将恒流恒压切换模块的串联回路并联在高频逆变器H的输出端，高频逆变器H的输入端并联在直流电源1的输出端，即将直流电源1与所述高频逆变器H级联后作为激励源。
图9给出了图8的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
此外，为了实现原边开关管的ZVS，提高高频逆变器效率，需要设计补偿参数C1使得输入阻抗Zin为弱感性
即对应的输入阻抗角
化简可得C1的容值应设计满足：
式(5)、(6)、(7)、(8)中，ω0为系统的谐振角频率。
本实施例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒流/恒压输出的切换。
实施例3
如图10所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：恒流恒压切换模块的串联回路短接，恒流恒压切换模块的激励线圈L与初级线圈4通过互感M3耦合，即通过互感M3在激励线圈产生感应电势作为激励源。
图11给出了图10的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
此外，为了实现原边开关管的ZVS，提高高频逆变器效率，需要设计补偿参数C1使得输入阻抗Zin为弱感性
即对应的输入阻抗角
化简可得C1的容值应设计满足：
式(9)、(10)、(11)、(12)中，ω0为系统的谐振角频率。
本实施例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒流/恒压输出的切换。
实施例4
如图12所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：初级线圈4串联有无源元件Z，恒流恒压切换模块并联在无源元件Z两端，并且恒流恒压切换模块的电容C、激励线圈L与无源元件Z在系统工作频率下谐振。
需要说明的是，无源元件Z是容的时候，恒流恒压切换模块的串联回路里的容是可以省略，本实施例中无源元件Z共用了原边补偿网络3位于恒流支路中的补偿电容C1。具体的：恒流恒压切换模块的激励线圈L并联在原边补偿网络3位于恒流支路中的补偿电容C1的两端，激励线圈L与次级线圈Ls间通过互感M2耦合。
图13给出了图12的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
式(13)、(14)中，ω0为系统的谐振角频率。
本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒流/恒压输出的切换。
实施例5
如图14所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：恒流恒压切换模块的串联回路短接，且其中一个节点与初级线圈4的一端连接，初级线圈4与恒流恒压切换模块的激励线圈L为耦合电感，互感为M3；激励线圈L与次级线圈Ls间通过互感M2耦合。
图15给出了图14的基波等效电路。本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
此外，为了实现原边开关管的ZVS，提高高频逆变器效率，需要设计补偿参数C1使得输入阻抗Zin为弱感性
即对应的输入阻抗角
化简可得C1的容值应设计满足：
式(15)、(16)、(17)、(18)中，ω0为系统的谐振角频率。
本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒流/恒压输出的切换。
实施例6
如图16所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：发送模块还包括电感L1，电感L1与初级线圈4串联连接，恒流恒压切换模块的串联回路中还串联有电感L2，电感L1与电感L2为耦合电感，互感为M3；激励线圈L与次级线圈Ls间通过互感M2耦合。
图17给出了图16的基波等效电路。本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
此外，为了实现原边开关管的ZVS，提高高频逆变器效率，需要设计补偿参数C1使得输入阻抗Zin为弱感性
即对应的输入阻抗角
化简可得C1的容值应设计满足：
式(19)、(20)、(21)、(22)中，ω0为系统的谐振角频率。
本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒流/恒压输出的切换。
实施例7
如图18所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：副边补偿网络6采用LCL补偿，次级线圈Ls与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7。
图19给出了图18的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足条件：
本实施例的恒流/恒压输出的切换过程以及补偿参数C1的设计均与实施例1相同。
实施例8
如图20所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例2的区别仅在于：副边补偿网络6采用LCL补偿，次级线圈Ls与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7。
图21给出了图20的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
本实施例的恒流/恒压输出的切换过程以及补偿参数C1的设计均与实施例2相同。
实施例9
如图22所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例3的区别仅在于：副边补偿网络6采用LCL补偿，次级线圈Ls与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7。
图23给出了图22的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
本实施例的恒流/恒压输出的切换过程以及补偿参数C1的设计均与实施例3相同。
实施例10
如图24所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例4的区别仅在于：副边补偿网络6采用LCL补偿，次级线圈Ls与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7。
图25给出了图24的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
本实施例的恒流/恒压输出的切换过程以与实施例4相同。
实施例11
如图26所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例5的区别仅在于：副边补偿网络6采用LCL补偿，次级线圈Ls与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7。
图27给出了图26的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
本实施例的恒流/恒压输出的切换过程以及补偿参数C1的设计均与实施例5相同。
实施例12
如图28所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例6的区别仅在于：副边补偿网络6采用LCL补偿，次级线圈Ls与Cf2并联连接，再与补偿电感Lf2串联连接，Lf2的输出连接到整流滤波电路7。
图29给出了图28的基波等效电路。本实施例中谐振元件参数满足：
本实施例的恒流/恒压输出的切换过程以及补偿参数C1的设计均与实施例6相同。
实施例13
如图30所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例1的区别仅在于：副边补偿网络6采用S补偿，次级线圈Ls与电容C2串联连接，电容C2输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
图31给出了图30的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
本实施例的补偿参数C1的设计均与实施例1相同。本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒压/恒流输出的切换。
实施例14
如图32所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例2的区别仅在于：副边补偿网络6采用S补偿，次级线圈Ls与电容C2串联连接，电容C2输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
图33给出了图32的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
本实施例的补偿参数C1的设计均与实施例2相同。本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒压/恒流输出的切换。
实施例15
如图34所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例3的区别仅在于：副边补偿网络6采用S补偿，次级线圈Ls与电容C2串联连接，电容C2输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
图35给出了图34的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
本实施例的补偿参数C1的设计均与实施例3相同。本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒压/恒流输出的切换。
实施例16
如图36所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例4的区别仅在于：副边补偿网络6采用S补偿，次级线圈Ls与电容C2串联连接，电容C2输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
图37给出了图36恒流恒压切换模块分的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒压/恒流输出的切换。
实施例17
如图38所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例5的区别仅在于：副边补偿网络6采用S补偿，次级线圈Ls与电容C2串联连接，电容C2输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
图39给出了图38的基波等效电路，本发实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
本实施例的补偿参数C1的设计均与实施例5相同。本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒压/恒流输出的切换。
实施例18
如图40所示，一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，与实施例5的区别仅在于：副边补偿网络6采用S补偿，次级线圈Ls与电容C2串联连接，电容C2输出连接到整流滤波电路7，初级线圈Lp与次级线圈Ls间通过互感M1耦合。
图41给出了图40的基波等效电路，本实施例中谐振元件参数满足：
在切换开关S关断时，由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电压为：
可以看出，此时输出电压与负载电阻无关，输出为恒压特性。
在切换开关S闭合时，恒流恒压切换模块的等效交流激励
为
由电路基本理论可以推得，谐振频率ω0下，感应式无线电能传输拓扑的输出电流为：
可以看出，此时输出电流与负载电阻无关，输出为恒流特性。
本实施例的补偿参数C1的设计均与实施例6相同。本例中通过控制器K控制切换开关S的关断/开通，即可实现恒压/恒流输出的切换。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，包括发送模块、接收模块、恒流恒压切换模块，所述发送模块包括依次连接的直流电源(1)、高频逆变器(2)、原边补偿网络(3)、初级线圈(4)，所述接收模块包括依次连接的次级线圈(5)、副边补偿网络(6)、整流滤波电路(7)以及负载(8)；所述恒流恒压切换模块包括电容C、激励线圈L、切换开关S连接形成的串联回路，还包括激励源以及所述切换开关S的控制器K；其中，所述激励线圈L与初级线圈(4)共用原边磁芯，所述激励线圈L与次级线圈(5)通过互感M2耦合，所述初级线圈(4)与次级线圈(5)通过互感M1耦合；所述初级线圈(4)在工作频率ω0下流过恒定电流。
2.根据权利要求1所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，将所述恒流恒压切换模块的串联回路并联在所述高频逆变器(2)的输出端，即将所述高频逆变器(2)的输出作为激励源，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
3.根据权利要求1所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述恒流恒压切换模块还包括高频逆变器H，将所述恒流恒压切换模块的串联回路并联在所述高频逆变器H的输出端，所述高频逆变器H的输入端并联在所述直流电源(1)的输出端，即将所述直流电源(1)与所述高频逆变器H级联后作为激励源，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
4.根据权利要求1所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述恒流恒压切换模块的串联回路短接，激励线圈L与所述初级线圈(4)通过互感M3耦合，即通过互感M3在激励线圈产生感应电势作为激励源，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
5.根据权利要求1所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述初级线圈(4)串联有无源元件Z，所述恒流恒压切换模块并联在无源元件Z两端，并且所述恒流恒压切换模块的电容C、激励线圈L与无源元件Z在系统工作频率下谐振。
6.根据权利要求1所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述恒流恒压切换模块的串联回路短接，且其中一个节点与初级线圈(4)的一端连接，所述初级线圈(4)与所述恒流恒压切换模块的激励线圈为耦合电感，互感为M3，并且所述电容C和激励线圈L在系统工作频率下谐振。
7.根据权利要求1所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述发送模块还包括电感L1，所述电感L1与初级线圈(4)串联连接，所述恒流恒压切换模块的串联回路中还串联有电感L2，所述电感L1与电感L2为耦合电感，互感为M3，并且所述恒流恒压切换模块的电容C、激励线圈L与电感L2在系统工作频率下谐振。
8.根据权利要求1-7任一所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述切换开关S为MOSFET或IGBT或晶闸管。
9.根据权利要求1-7任一所述的实现恒流恒压输出切换的感应式无线电能传输系统，其特征在于，所述原边补偿网络(3)为LCC结构或CL结构或CLC结构或LCL结构或LC结构，所述副边补偿网络(6)为LCC结构或LCL结构或S结构。
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