本發(fā)明涉及無線電能傳輸，具體涉及具有可重構(gòu)拓撲的無線電能傳輸。

背景技術(shù)：

1、感應式無線電能傳輸（inductive?power?transfer，ipt）技術(shù)以交變電磁場為媒介，能夠?qū)崿F(xiàn)能量從電源到負載的無物理接觸傳輸，具有供電安全、靈活、可靠等特性，目前已在便攜式電子設備、植入式醫(yī)療設備、水下探測器等多個領(lǐng)域得到廣泛應用。然而，在實際應用場合中，原邊發(fā)射線圈與副邊接收線圈不可避免地出現(xiàn)偏移不對準現(xiàn)象，線圈之間的互感及耦合參數(shù)劇烈變化，進而影響ipt系統(tǒng)功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2、針對上述存在的問題，國內(nèi)外研究團隊多從閉環(huán)控制技術(shù)、補償拓撲設計等方面進行研究。閉環(huán)控制技術(shù)通過實時檢測和調(diào)整系統(tǒng)工作參數(shù)來補償耦合系數(shù)的波動，從而維持穩(wěn)定的功率輸出。這種方法通常需要額外的dc-dc變換器或?qū)δ孀兡K進行移相控制，使得系統(tǒng)能夠適應不同的耦合條件，以保持較高的傳輸效率。然而，這些控制手段雖然精確，但也存在顯著的缺陷。首先，系統(tǒng)需要增加額外的硬件，比如dc-dc變換器和相關(guān)的控制電路，這增加了系統(tǒng)的硬件復雜度，導致設備體積增大、成本上升。其次，移相控制涉及脈沖頻率調(diào)制，容易在實際應用中引起系統(tǒng)頻率分裂現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在耦合系數(shù)波動較大時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度明顯增加，控制的復雜性和脆弱性也隨之上升。

3、為了克服這些問題，部分研究團隊將注意力轉(zhuǎn)移到補償拓撲設計方面，以期降低系統(tǒng)對閉環(huán)控制的依賴。通過改進補償網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)在不同的耦合條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)較為穩(wěn)定的功率傳輸。西班牙薩拉戈薩大學的研究人員提出了一種sp-s補償拓撲，這種拓撲將ss（串聯(lián)－串聯(lián)）和sp（串聯(lián)－并聯(lián)）兩種補償方式結(jié)合在一起，利用它們在耦合系數(shù)變化時輸出特性的互補性來增強系統(tǒng)的抗偏移能力。實驗結(jié)果表明，在橫向偏移最大外尺寸的25%范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出功率下降不超過10%。這種拓撲結(jié)構(gòu)在一定程度上提升了系統(tǒng)的抗耦合系數(shù)波動能力，但仍存在一些局限性。

4、具體來說，隨著耦合系數(shù)的進一步降低，sp-s補償拓撲的系統(tǒng)輸出功率依然難以保持，效率也明顯下降。這是由于補償拓撲本身的限制，當線圈之間的互感減弱到一定程度時，盡管補償網(wǎng)絡可以部分抵消這種影響，但系統(tǒng)的無功功率增加顯著，導致效率降低。同時，多種補償拓撲的結(jié)合也增加了系統(tǒng)的復雜度和設計難度，使得系統(tǒng)的成本和安裝調(diào)試工作量增加。

5、此外，針對不同應用場景中可能出現(xiàn)的耦合系數(shù)劇烈波動，現(xiàn)有技術(shù)中提出了一些創(chuàng)新性的解決方案。例如，一些研究者通過增加額外的線圈或分段式線圈配置來改善系統(tǒng)的傳輸性能。這些方法的核心思想是通過調(diào)整磁場的分布來減少偏移帶來的負面影響，但增加的線圈數(shù)量和相應的控制電路也導致了系統(tǒng)復雜性和體積的增加，降低了系統(tǒng)的可維護性和集成度。雖然這些方法在理論上可以顯著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但在實際應用中往往由于設備的體積、重量和成本等問題而難以廣泛推廣。

6、為了減小控制壓力和降低系統(tǒng)控制復雜度，補償拓撲設計逐漸成為研究熱點之一。通過拓撲結(jié)構(gòu)的設計，使得系統(tǒng)可以在開環(huán)的情況下實現(xiàn)相對穩(wěn)定的功率傳輸，減少對復雜控制手段的依賴。例如，研究人員嘗試將多種補償元件進行組合，使其在不同的耦合系數(shù)條件下能夠自動適應功率的需求。然而，這些補償元件的組合也存在一定的權(quán)衡關(guān)系，即在某些條件下性能的提升往往是以犧牲其他條件下的效率為代價的。因此，如何在保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的前提下實現(xiàn)較寬耦合范圍內(nèi)的高效功率傳輸，仍然是一個亟待解決的問題。

7、綜上，面對較寬的耦合系數(shù)波動，如何維持接近恒定的功率傳輸，同時降低系統(tǒng)控制復雜度是ipt技術(shù)研究的關(guān)鍵問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有ipt技術(shù)研究中，面對較寬的耦合系數(shù)波動，無法維持接近恒定的功率傳輸，同時無法降低系統(tǒng)控制復雜度的技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

2、一種具有可重構(gòu)拓撲的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括全橋逆變電路、原邊補償網(wǎng)絡、耦合線圈、副邊補償網(wǎng)絡、整流濾波電路；

3、所述全橋逆變電路的輸入端連接直流電壓源 ud，輸出端連接原邊補償網(wǎng)絡的輸入端，所述原邊補償網(wǎng)絡的輸出端連接耦合線圈的原邊輸入端，所述耦合線圈的副邊輸出端連接副邊補償網(wǎng)絡的輸入端，所述副邊補償網(wǎng)絡的輸出端連接整流濾波電路的輸入端；所述整流濾波電路的輸出端連接電池負載 ro。

4、進一步，提供一個優(yōu)選實施方式，所述原邊補償網(wǎng)絡包括原邊串聯(lián)補償電容 cp1、原邊回路補償電容 cp2、原邊支路補償電容 cp0和原邊支路交流開關(guān) s0；

5、所述耦合線圈包括原邊第一發(fā)射線圈 lp1、原邊第二發(fā)射線圈 lp2和副邊接收線圈 ls；

6、所述副邊補償網(wǎng)絡包括副邊串聯(lián)補償電容 cs。

7、進一步，提供一個優(yōu)選實施方式，所述原邊補償網(wǎng)絡中：

8、所述原邊串聯(lián)補償電容 cp1的一端連接所述全橋逆變電路的一個輸出端，另一端連接所述原邊第一發(fā)射線圈 lp1的一端；

9、所述原邊回路補償電容 cp2的一端連接所述全橋逆變電路的另一個輸出端、所述原邊支路補償電容 cp0的一端，以及所述原邊支路交流開關(guān) s0的一端，所述原邊回路補償電容 cp2的另一端連接所述原邊第二發(fā)射線圈 lp2的一端；

10、所述原邊支路補償電容 cp0的一端連接所述全橋逆變電路和原邊回路補償電容 cp2相連的一端，所述原邊支路補償電容 cp0的另一端連接所述原邊支路交流開關(guān) s0的另一端，以及所述原邊第一發(fā)射線圈 lp1和原邊第二發(fā)射線圈 lp2相連的一端。

11、進一步，提供一個優(yōu)選實施方式，通過控制所述原邊支路交流開關(guān) s0的導通和斷開，所述系統(tǒng)進入兩種工作模態(tài)，并分別對應不同的耦合系數(shù)波動范圍，即工作模態(tài)1和工作模態(tài)2。

12、進一步，提供一個優(yōu)選實施方式，所述原邊支路交流開關(guān) s0導通時，即工作模態(tài)1：

13、所述原邊補償網(wǎng)絡中的原邊串聯(lián)補償電容 cp1、原邊支路補償電容 cp0和所述耦合線圈中的原邊第一發(fā)射線圈 lp1構(gòu)成串聯(lián)失諧網(wǎng)絡；所述副邊補償網(wǎng)絡中的副邊串聯(lián)補償電容 cs和所述耦合線圈中的副邊接收線圈 ls構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡。

14、進一步，提供一個優(yōu)選實施方式，所述原邊支路交流開關(guān) s0斷開時，即工作模態(tài)2：

15、所述原邊補償網(wǎng)絡中的原邊串聯(lián)補償電容 cp1、原邊支路補償電容 cp0和所述耦合線圈中的原邊第一發(fā)射線圈 lp1構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡，所述原邊補償網(wǎng)絡中的原邊回路補償電容 cp2、原邊支路補償電容 cp0和所述耦合線圈中的原邊第二發(fā)射線圈 lp2構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡；所述副邊補償網(wǎng)絡中的副邊串聯(lián)補償電容 cs和所述耦合線圈中的副邊接收線圈 ls構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡。

16、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種具有可重構(gòu)拓撲的無線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)設計方法，基于所述的系統(tǒng)實現(xiàn)，包括：

17、步驟一：采集預設系統(tǒng)技術(shù)指標的步驟；

18、步驟二：根據(jù)所述系統(tǒng)技術(shù)指標，設計系統(tǒng)功率－耦合曲線的步驟；

19、步驟三：根據(jù)所述工作模態(tài)1和工作模態(tài)2下原副邊補償網(wǎng)絡的諧振狀態(tài)或關(guān)系，完成補償元件參數(shù)的整定的步驟。

20、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了計算機儲存介質(zhì)，用于儲存計算機程序，當所述計算機讀取所述計算機程序時，所述計算機執(zhí)行所述的方法。

21、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了計算機，包括處理器和儲存介質(zhì)，當所述處理器讀取所述儲存介質(zhì)中儲存的計算機程序時，所述計算機執(zhí)行所述的方法。

22、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了計算機程序產(chǎn)品，作為計算機程序，當所述計算機程序被執(zhí)行時，實現(xiàn)所述的方法。

23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果：

24、通過控制原邊支路交流開關(guān)的導通和斷開，系統(tǒng)能夠在不同的耦合系數(shù)波動范圍內(nèi)進行拓撲結(jié)構(gòu)的重新配置，從而有效解決了耦合系數(shù)變化帶來的功率不穩(wěn)定問題。相比于現(xiàn)有的閉環(huán)控制方案，本發(fā)明的控制方式不需要額外的dc-dc變換器或移相控制，因此顯著降低了系統(tǒng)的復雜度和控制成本。

25、副邊補償網(wǎng)絡中僅使用一個串聯(lián)補償電容，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單和緊湊。這一設計有效減少了系統(tǒng)所需的補償元件數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)的體積和重量，在應用場合中展現(xiàn)出了更高的集成度和便攜性。相比于其他多補償元件的拓撲結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的設計更加簡化，利于實際應用中的安裝和維護。

26、系統(tǒng)采用全橋逆變電路并通過補償元件的合理配置，確保逆變開關(guān)管始終在零電壓條件下導通。這一特點顯著提高了系統(tǒng)的效率，減少了開關(guān)損耗，同時也避免了發(fā)射線圈中的過電流現(xiàn)象，使得系統(tǒng)在功率傳輸過程中更加安全可靠。與傳統(tǒng)的移相控制方案相比，本發(fā)明的零電壓導通控制方式在提升效率的同時，也顯著降低了對系統(tǒng)控制精度的要求。

27、通過工作模態(tài)1和工作模態(tài)2的設計，系統(tǒng)能夠在較寬的耦合系數(shù)波動范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的功率輸出。這種設計有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)中因耦合系數(shù)劇烈變化而導致的輸出功率下降的問題，與其他補償拓撲相比，本方案在抗耦合系數(shù)波動性能上表現(xiàn)更為優(yōu)越，尤其在大范圍偏移情況下依然能夠維持較高的輸出功率。

28、適合應用于無線電能傳輸工作中。