一种基于π型网络的无线充电系统

本发明涉及无线电能传输领域，具体是一种基于π型网络的无线充电系统。

背景技术：

1、水下无人航行器在海洋资源探索、海底资源开发等领域发挥着至关重要的作用。然而，在水下运行的过程中，其能源供应一直是一个具有挑战性的问题。为解决这一问题，水下无人航行器的无线充电技术应运而生，为其提供了一种更为灵活、便捷的能源补给方式。无线电能传输是利用电磁感应原理，将能量从发射线圈传输至接收线圈，而不需要进行电气连接，具有安全、便捷、可靠性高等优点。相较于传统的有线充电方式，水下无人航行器无线充电技术的突出优势在于摆脱了裸露电线的繁琐，从而提高了系统的可靠性和耐用性。这种先进的充电方式不仅简化了水下任务的复杂性，也为水下设备的长时间运行提供了更为可行和可持续的能源解决方案。在海洋科学和技术领域，水下无人航行器无线充电技术的应用将为海洋研究、资源勘探以及环境监测等方面带来革命性的变革。目前广泛应用的无线充电系统普遍采用双边lcc拓扑作为补偿网络，发射线圈端设在水下无人行航行器的充电笼，接收线圈端则放置于航行器内，并根据航行器内的空间、传输功率等级、负载电池的充电电压等条件进行参数设计。

2、由于水下通信环境较差，航行器定位不精准会导致位置会产生偏差，进而影响原副边之间的互感大小；此外，目前水下无人航行器电池电压标准不统一，电压范围较宽。在互感较小，电池电压较低时，系统的输出功率会明显下降，极大地延长了航行器的充电时间，影响航行器的工作效率。因此，市场亟待一种能够实现功率放大的无线充电拓扑方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于π型网络的无线充电系统，能够通过两个开关实现系统在传统lcc-lcc和功率放大拓扑之间的切换，非常适配水下无人航行器在低耦合系数、低电池电压下的大功率充电需求。

2、本发明的第一方面，提供一种基于π型网络的无线充电系统，包括：原边电路和副边电路，所述原边电路依次连接全桥逆变器、原边谐振网络和发射线圈l1；所述副边电路包括依次连接的接收线圈l2、副边谐振网络、整流桥和电池，所述副边谐振网络包括补偿电容c2、补偿电容cs、补偿电容cs1、补偿线圈ls1、电感ls2和开关sa、开关sb，其中，在所述整流桥的两个桥臂的中点之间依次串联接入补偿线圈ls1、补偿电容c2和接收线圈l2，补偿电容c2和接收线圈l2串联后再分别并联补偿电容cs、cs1和开关sa的串联回路，最后在两个桥臂中点再并联一个电感ls2和开关sb的串联回路。

3、可选地，所述副边电路中：

4、开关sa和sb断开时，接收线圈l2、补偿电容c2和补偿电容cs形成谐振网络；

5、开关sa和sb闭合时，接收线圈l2、补偿电容c2和补偿电容cs形成谐振网络，同时副边补偿电容cs1、补偿线圈ls1和电感ls2形成谐振网络。

6、进一步的，所述副边电路具有功率放大功能，其中：

7、

8、上式中，上式中，c2为副边补偿电容c2的电容值，c1为原边谐振网络的补偿电容c1的电容值，j是虚数单位，ω为谐振角频率，cs1为副边补偿电容cs1的电容值，ls1为副边补偿线圈ls1的电感，ls2为副边电感ls2的电感，cs1、ls1和ls2形成π网络；l2为接收线圈自感；

9、通过设计参数ls1和ls2的比值，设计功率放大的倍数。

10、可选地，所述原边谐振网络包括补偿线圈lp、补偿电容c1和补偿电容cp，其中，所述全桥逆变器的两个桥臂的中点之间依次串联接入补偿线圈lp、补偿电容c1和发射线圈l1，且补偿电容c1和发射线圈l1串联后再并联一个补偿电容cp。

11、可选地，所述全桥逆变器由四个开关s1-s4构成，其中开关s1、s2构成一个桥臂，开关s3、s4构成另一个桥臂，补偿线圈lp的一端连接在开关s1、s2构成的桥臂中点，补偿线圈lp的另一端与补偿电容c1和补偿电容cp连接，补偿电容c1的另一端连接发射线圈l1的一端，补偿电容cp的另一端连接开关s3、s4构成的桥臂中点。

12、本发明的第二方面，提供一种基于π型网络的无线充电系统的副边电路，所述副边谐振网络包括补偿电容c2、补偿电容cs、补偿电容cs1、补偿线圈ls1、电感ls2和开关sa、开关sb，其中，在所述整流桥的两个桥臂的中点之间依次串联接入补偿线圈ls1、补偿电容c2和接收线圈l2，补偿电容c2和接收线圈l2串联后再分别并联补偿电容cs、cs1和开关sa的串联回路，最后在两个桥臂中点再并联一个电感ls2和开关sb的串联回路。

13、进一步的，开关sa和sb断开时，接收线圈l2、补偿电容c2和补偿电容cs形成谐振网络；开关sa和sb闭合时，接收线圈l2、补偿电容c2和补偿电容cs形成谐振网络，同时副边补偿电容cs1、补偿线圈ls1和电感ls2形成谐振网络；通过设计参数ls1和ls2的比值，设计功率放大的倍数。

14、与现有技术相比，本发明提供的基于π型网络的无线充电系统，可以通过两个开关切换就可以实现恒流输出情况下的功率放大，进一步的，通过设计参数ls1和ls2的比值，可以得到所需功率放大的倍数。本发明利用π型网络实现等效负载阻抗放大，可以同样实现cc输出的情况下，极大地提高系统输出功率。

1.一种基于π型网络的无线充电系统，包括：原边电路和副边电路，所述原边电路依次连接全桥逆变器、原边谐振网络和发射线圈l1；所述副边电路包括依次连接的接收线圈l2、副边谐振网络、整流桥和电池，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：所述副边电路中：

3.根据权利要求2所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：所述副边电路具有功率放大功能，其中：

4.根据权利要求3所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：所述原边谐振网络包括补偿线圈lp、补偿电容c1和补偿电容cp，其中，所述全桥逆变器的两个桥臂的中点之间依次串联接入补偿线圈lp、补偿电容c1和发射线圈l1，且补偿电容c1和发射线圈l1串联后再并联一个补偿电容cp。

7.根据权利要求6所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：所述全桥逆变器由四个开关s1-s4构成，其中开关s1、s2构成一个桥臂，开关s3、s4构成另一个桥臂，补偿线圈lp的一端连接在开关s1、s2构成的桥臂中点，补偿线圈lp的另一端与补偿电容c1和补偿电容cp连接，补偿电容c1的另一端连接发射线圈l1的一端，补偿电容cp的另一端连接开关s3、s4构成的桥臂中点。

8.根据权利要求1所述的基于π型网络的无线充电系统，其特征在于：所述整流桥为全控整流桥。

9.一种基于π型网络的无线充电系统的副边电路，其特征在于：所述副边谐振网络包括补偿电容c2、补偿电容cs、补偿电容cs1、补偿线圈ls1、电感ls2和开关sa、开关sb，其中，

10.根据权利要求1所述的基于π型网络的无线充电系统的副边电路，其特征在于：