[發明專利]一種雙端磁集成的無線充電系統磁耦合機構

在審

• 申請號: 202210476890.8
• 申請日: 2022-04-30
• 公開（公告）號: CN114884228A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 董鶴楠;孫峰;張冠鋒;程緒可;李平;白雪;韓子嬌;李家玨;李勝輝;段昭宇;劉一琦;唱一鳴;張稼楠;謝冰;孫絲蘿;張天放;鄭志勤;金英;李明珠;劉凱;那光宇;王亮;李峰;王優胤
• 申請（專利權）人: 國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院;國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司;東北林業大學;國家電網有限公司
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/00;H02M1/14;H02M1/42;H02M1/00;H02M3/00;H02M3/158;H02J7/00
• 代理公司: 遼寧沈陽國興知識產權代理有限公司 21100
• 代理人: 何學軍;侯景明

本發明屬于電力設備技術領域，尤其涉及一種雙端磁集成的無線充電系統磁耦合機構。本發明包括無線充電系統和磁耦合機構構成，其中：無線充電系統：采用LCC?S補償拓撲；所述磁耦合機構的發射線圈與接收線圈圍繞全鋪式磁芯進行繞制，發射線圈和接收線圈繞制完成后，分別將發射端LCC?S補償拓撲中發射端LCC部分中的補償電感和接收端交錯并聯Buck變換器中的兩個電感均以“四圓形線圈串聯”的結構集成繞制于磁芯的空白區域內。本發明在不影響功率傳輸的前提下，不僅能夠降低系統中功率器件的應力、損耗以及輸出電流紋波，還可以有效地提升無線充電系統的功率密度。

技術領域

本發明屬于電力設備技術領域，尤其涉及一種雙端磁集成的無線充電系統磁耦合機構。

背景技術

交錯并聯DC/DC變換器是一個早被提出的研究方向，目前已經有很多成熟的應用領域，如不間斷電源，PC用電壓控制模塊，電池充電器，電動汽車，混動汽車，通信系統等。交錯并聯Buck變換器是一種典型的交錯并聯DC/DC變換器，具有電壓/電流應力離散式分布、輸出電流紋波消除、快速相應、無源原件體積減小等優勢。而目前只有少數文獻將交錯并聯DC/DC變換器引入了無線充電系統中。有文獻將交錯并聯Buck變換器和交錯并聯Buck-Boost變換器放置于無線充電系統的接收端從而實現輸出的控制。還有文獻通過共用無線充電系統逆變器可控功率器件MOSFET的方式構建了交錯并聯Boost變換器，從而實現了更高的逆變器增益以及更低的電流紋波。

雖然兩相交錯并聯Buck變換器具有許多優勢，但是額外增加的一相Buck電路導致濾波電感數目由一個增加為兩個，且電感值均相對較大。如果單獨繞制，磁芯用量更多，會導致系統的重量和體積增大。基于磁集成技術與無線充電系統的結合，可以充分利用發射端與接收端磁芯繞制外部電路的功率電感，從而提高磁芯利用率以及系統的功率密度。有文獻將三組傳能機構集成為一體，通過相互解耦的方式搭建了三傳能通道無線充電系統磁耦合機構。還有文獻將接收端外附的Buck變換器濾波電感與接收線圈進行集成。有的采用了LCC-LCC補償拓撲，分別將發射端與接收端的補償電感相應地與發射線圈與接收線圈進行集成。以上文獻分別對補償拓撲的補償電感、附加變換器濾波電感、傳能通道線圈進行了集成，不僅可以對磁耦合機構的單端進行集成，還可以同時對發射端和接收端進行雙端集成。

兩相交錯并聯電路的應用雖然可以解決系統設計中的問題，改善無線充電系統的輸出特性，但新增的一組功率器件勢必會造成系統體積和重量的增加。目前，磁集成技術已經被廣泛應用于各個領域，利用同一組磁芯繞制多個互不影響電感可以減小磁芯的用量，提高磁芯利用率，更合理地規劃空間分布，提升系統的功率密度。在無線充電系統中，磁耦合機構的磁集成已有許多的應用方式。發射線圈與接收線圈繞制過程中往往會有許多的空間富余，基于磁集成技術的基本思想將外部電路拓撲中的功率電感集成在這些空間中可以有效地提升無線充電系統的功率密度。

現階段，無線充電系統由于其靈活性、安全性和易于操作等優勢在電動汽車、醫療器件、電子設備等領域得到了廣泛的應用。無線充電系統的用電器在很多情形下往往為電池，因此，系統的輸出電壓和輸出電流需要具備較好的恒壓/恒流特性。為了實現這一目標，可以采用基于發射端可控功率器件的原邊控制或者基于接收端的副邊控制。DC/DC變換器常作為附加的控制模塊通過調節占空比的方式實現無線充電系統恒壓/恒流充電。常見的DC/DC變換器包括了Buck變換器、Boost變換器、Buck-Boost變換器、Zeta變換器、Sepic變換器等等，這些變換器理論上均可以合理地應用于無線充電系統的輸出功率控制環節。本發明中擬采用附加的拓撲結構簡單的Buck變換器結合副邊控制實現無線充電系統的恒壓/恒流輸出。