1.2 电磁共振式无线充电系统类型

电磁共振式无线充电系统的主要功能是将电网工频交流电变换成无线电能传输需要的高频电源，通过电磁共振式无线电能传输电路，将电能传输到储能装置。图1-2是电磁共振式无线充电系统组成框图。

图1-2中交流直流变换电路的功能是将交流电源变换成直流电源，交流/直流变换电路包括单相或三相整流电路，为了提高功率因数抑制谐波，单相输入的交流/直流变换电路中还要加入功率因数校正电路，三相输入的系统中加入无源滤波电路或有源滤波电路。

电能传输变换电路的功能是将直流电源变换成高频交流电源，根据充电系统电磁环境对人体影响的具体要求，高频交流电源频率一般在100kHz以下。电能传输变换电路有电压型半桥逆变电路、电压型全桥逆变电路及电流型逆变电路等。

磁耦合谐振器的功能是通过发射线圈、接收线圈和补偿电路组成电磁共振式无线电能传输电路进行电能传输，发射侧和接收侧具有相同的谐振频率，可以实现最大的传输效率。

电能接收变换电路的功能是将接收侧谐振回路接收到的高频交流电源变换成直流电源对储能装置进行充电。高频交流/直流变换电路包括高频整流滤波电路，或高频整流滤波加直流斩波电路等。

负载端控制电路的功能是根据储能装置充电过程要求对无线电能传输过程的电压/电流进行实时控制。负载端控制电路包括充电电压电流检测电路、充电控制电路、储能装置和控制电路之间的信号传输电路等。

信号传输电路是将接收侧的检测信号和控制信号通过无线的方式反馈到发射侧控制电路。

发射侧控制电路的功能是根据接收侧反馈的信号和发射侧本身的检测信号来实现充电电压/电流的闭环控制。

电磁共振式无线充电系统可以分为无线信号反馈单闭环控制无线充电系统、传输电压与充电过程独立控制无线充电系统、发射侧传输电流与接收侧充电过程独立控制无线充电系统等。

1.2.1 无线信号反馈单闭环控制无线充电系统

在电磁共振式无线电能传输系统中要求对输出电压或电流进行反馈控制，需要在系统的电能发射侧与接收侧之间建立通信机制，在完成电能传输的同时，实现反馈信号的传输。图1-3是无线信号反馈单闭环控制无线充电系统框图。

无线信号反馈单闭环控制无线充电系统有电能传输通道与信号传输通道两个传输通道，这两个传输通道相对独立。电能传输通道通过电能发射谐振回路和电能接收谐振回路实现无线电能的传输，信号传输通道通过参数发送和参数接收实现反馈信号的传输。信号传输可以采用载波方式，载波方式有附加信号耦合线圈双通道传输方式、传输线圈电能和信号分时复用传输方式、注入式信号载波方式，还可以采用无线通信方式实现信号的无线传输。

1．信号载波传送电磁共振式无线充电系统

信号载波传送通过增设信号耦合线圈的方式构建信号传输通道，如图1-4所示。负载端参数检测电路将充电电压/电流等参数通过接收侧载波电路进行发送，在发射侧经过载波解调，将接收侧参数反馈到充电过程控制电路完成充电闭环控制。在发射侧通过发射侧参数检测反馈形成发射侧内环控制。

电能与信号并行载波传输技术通过添加信号传输相关电路，建立电能与信号并行传输系统，电能传输通道与信号传输通道对电能功率波和信号载波呈现不同的阻抗性质，保证在基本不影响电能传输稳定性的前提下，完成信号的实时双向传输。

2．信号无线通信传送电磁共振式无线充电系统

信号传输通过无线收发模块实现发射侧和接收侧的数据交流。无线通信数据传输主要由三个部分组成，即数据发送端、数据传输信道和数据接收端。图1-5是信号无线通信传送反馈单闭环控制无线充电系统框图。无线通信模块将无线电技术与微处理器技术相结合来实现高性能短距离数据传输，一般选用性价比高的无线收发芯片，其发射功率低，ISM频段，工作频率范围一般在几百兆赫兹至几吉赫兹，具有强抗干扰能力和低误码率。无线数字信号传输模块应用简单，兼容性好，在开阔视野条件下传输距离较远，更适用于点对多点数据信息采集。短距离无线通信常见的方式有WiFi技术、蓝牙技术、超宽带技术、NFC技术和红外技术等。它们都有各自的应用特点，比如在传输速度、功耗、传输距离等方面有不同的技术指标。

1.2.2 传输电压与充电过程独立控制无线充电系统

无线信号反馈单闭环控制无线充电系统采用发射侧直接控制充电过程的电压/电流，在反馈回路有无线数据传送过程。在无线数据传送过程中，无论是采用载波方式还是采用通信方式，都是采用串行数据传送方式，都有数据延时问题。反馈信号的延时造成控制的延时，从而造成充电过程的控制精度低、反应速度慢，特别是会产生系统的瞬时扰动，控制器来不及响应，造成系统失控甚至故障。

如果把接收侧充电过程控制独立开来，可以建立接收侧独立的闭环控制系统，如图1-6所示。由电能接收变换电路和负载端控制电路组成充电过程闭环控制系统，对充电过程进行单独控制，充电参数的反馈不经过无线数据传送过程，实现充电过程的快速控制。由电能传输变换电路、电能发射谐振回路、电能接收谐振回路、电能传输参数发送电路、电能传输参数接收电路和发射侧控制电路组成电能传输闭环控制系统，其主要功能是控制电能接收变换电路前的输入电压稳定在设定的电压范围内，这对电压的控制精度要求可以大大降低。

电能接收变换电路可采用高频整流加直流斩波电路，由高频整流电路、直流斩波电路、电压/电流检测电路、控制电路和驱动电路等组成，如图1-7所示。

高频整流采用高频二极管整流电路，以实现从高频交流到直流的变换，整流以后还要加上直流斩波器，以实现充电电压和电流的控制。直流斩波一般采用PWM脉宽控制方式，可将控制电路送来的调节信号转换成相应的PWM斩波信号。直流斩波电路中斩波功率器件都工作在大电流硬开关状态，增加了开关损耗，降低了电源效率。采用软斩波器实现PWM控制，可实现斩波功率器件的软开关，减小开关损耗。直流斩波软开关电路有零电流谐振式、零电压谐振式、零电流开关PWM变换式、零电压开关PWM变换式、零电流转换PWM变换式、零电压转换PWM变换式和有源无损直流斩波式等。

1.2.3 发射侧传输电流与接收侧充电过程独立控制无线充电系统

传输电压与充电过程独立控制无线充电系统中，虽然把充电过程控制独立出来，建立独立的闭环控制系统，但还有电能传输闭环控制系统需要无线数据反馈。

如果把发射侧电能传输也进行独立闭环控制，这样发射侧和接收侧单独闭环，建立两个独立的闭环控制系统。发射侧独立闭环控制无线充电系统中，通过发射侧谐振回路的电压/电流来辨识接收侧负载状况，从而决定发射侧需要的电能传输量，达到发射侧和接收侧的电能传输平衡。发射侧谐振回路的参数和负载之间是动态非线性关系，通过建立数学模型进行快速辨识，实现在发射侧和接收侧之间在没有数据交换的条件下无线电能的平衡传输。接收侧控制电路快速跟随传输电压变化，实现传输电能的快速平衡；通过和储能设备的充电管理接口连接，响应各种储能设备对充电过程的要求，完成充电过程。

发射侧传输电流与接收侧充电过程独立控制的电磁共振式无线充电系统如图1-8所示。图中，由电能传输变换电路、电能发射谐振回路、发射侧参数检测电路、电能传输模型和发射侧控制电路组成发射侧能量传输独立闭环控制系统，由电能接收变换电路和负载端控制电路组成充电过程闭环控制系统，对充电过程进行单独控制，充电参数的反馈不经过无线数据传送过程，实现充电过程的快速控制。发射侧传输电流与接收侧充电过程独立控制的电磁共振式无线充电系统中，解决的关键问题是要建立电能传输模型，传输模型反映了发射侧发射的电能（电压、电流）和接收侧接收到的电能（电压、电流）之间的传输关系，是一个非线性关系，这样可以通过电能传输模型和发射侧电能参数检测，在发射侧辨识接收侧的充电状态，从而控制传输能量的平衡。