[发明专利]一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构

说明书

本发明属于电力设备技术领域，尤其涉及一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。本发明包括无线充电系统和磁耦合机构构成，其中：无线充电系统：采用LCC‑S补偿拓扑；所述磁耦合机构的发射线圈与接收线圈围绕全铺式磁芯进行绕制，发射线圈和接收线圈绕制完成后，分别将发射端LCC‑S补偿拓扑中发射端LCC部分中的补偿电感和接收端交错并联Buck变换器中的两个电感均以“四圆形线圈串联”的结构集成绕制于磁芯的空白区域内。本发明在不影响功率传输的前提下，不仅能够降低系统中功率器件的应力、损耗以及输出电流纹波，还可以有效地提升无线充电系统的功率密度。

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，尤其涉及一种双端磁集成的无线充电系统磁耦合机构。

背景技术

交错并联DC/DC变换器是一个早被提出的研究方向，目前已经有很多成熟的应用领域，如不间断电源，PC用电压控制模块，电池充电器，电动汽车，混动汽车，通信系统等。交错并联Buck变换器是一种典型的交错并联DC/DC变换器，具有电压/电流应力离散式分布、输出电流纹波消除、快速相应、无源原件体积减小等优势。而目前只有少数文献将交错并联DC/DC变换器引入了无线充电系统中。有文献将交错并联Buck变换器和交错并联Buck-Boost变换器放置于无线充电系统的接收端从而实现输出的控制。还有文献通过共用无线充电系统逆变器可控功率器件MOSFET的方式构建了交错并联Boost变换器，从而实现了更高的逆变器增益以及更低的电流纹波。

虽然两相交错并联Buck变换器具有许多优势，但是额外增加的一相Buck电路导致滤波电感数目由一个增加为两个，且电感值均相对较大。如果单独绕制，磁芯用量更多，会导致系统的重量和体积增大。基于磁集成技术与无线充电系统的结合，可以充分利用发射端与接收端磁芯绕制外部电路的功率电感，从而提高磁芯利用率以及系统的功率密度。有文献将三组传能机构集成为一体，通过相互解耦的方式搭建了三传能通道无线充电系统磁耦合机构。还有文献将接收端外附的Buck变换器滤波电感与接收线圈进行集成。有的采用了LCC-LCC补偿拓扑，分别将发射端与接收端的补偿电感相应地与发射线圈与接收线圈进行集成。以上文献分别对补偿拓扑的补偿电感、附加变换器滤波电感、传能通道线圈进行了集成，不仅可以对磁耦合机构的单端进行集成，还可以同时对发射端和接收端进行双端集成。

两相交错并联电路的应用虽然可以解决系统设计中的问题，改善无线充电系统的输出特性，但新增的一组功率器件势必会造成系统体积和重量的增加。目前，磁集成技术已经被广泛应用于各个领域，利用同一组磁芯绕制多个互不影响电感可以减小磁芯的用量，提高磁芯利用率，更合理地规划空间分布，提升系统的功率密度。在无线充电系统中，磁耦合机构的磁集成已有许多的应用方式。发射线圈与接收线圈绕制过程中往往会有许多的空间富余，基于磁集成技术的基本思想将外部电路拓扑中的功率电感集成在这些空间中可以有效地提升无线充电系统的功率密度。

现阶段，无线充电系统由于其灵活性、安全性和易于操作等优势在电动汽车、医疗器件、电子设备等领域得到了广泛的应用。无线充电系统的用电器在很多情形下往往为电池，因此，系统的输出电压和输出电流需要具备较好的恒压/恒流特性。为了实现这一目标，可以采用基于发射端可控功率器件的原边控制或者基于接收端的副边控制。DC/DC变换器常作为附加的控制模块通过调节占空比的方式实现无线充电系统恒压/恒流充电。常见的DC/DC变换器包括了Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Zeta变换器、Sepic变换器等等，这些变换器理论上均可以合理地应用于无线充电系统的输出功率控制环节。本发明中拟采用附加的拓扑结构简单的Buck变换器结合副边控制实现无线充电系统的恒压/恒流输出。