CN103178623A

CN103178623A - 磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置

Info

Publication number: CN103178623A
Application number: CN2013100664633A
Authority: CN
Inventors: 辛文辉; 华灯鑫; 宋跃辉; 汪丽; 侯逢勃
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2013-06-26

Abstract

磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，包括两个反向并联的可控电抗器,可控电抗器包括电流控制器和电抗器。电抗器包括直流绕组及交流绕组且共用一个磁路；直流绕组与电流控制器输出相连，由谐振电路的电压与电流的相位差控制。本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置用于对磁耦合谐振式无线电能传输的失谐进行补偿、或使谐振电路在新的频率点下重新谐振。通过谐振电路的电压与电流的相位差，控制电抗器的直流绕组的输入电流，使其交流绕组的电感值发生改变，将交流绕组接入谐振电路，用此可变电感，补偿谐振电路因参数变化而导致的失谐。

Description

磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置

技术领域

本发明属于非接触式电能传输领域，涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输是非接触式电能传输三种方法（电磁感应、磁耦合谐振、电磁波）中的一种。此种电能传输以交变电磁场为媒介，以发射电磁场电路、接收电磁场电路各自谐振，并且两种电路谐振频率相同以达到共振为条件，实现“米”级的、较高效率的电能传输。

图1、图2是磁耦合谐振式无线电能传输的两种线圈模式。其中，图1是两线圈结构，图2是四线圈结构。图1中，发射线圈（电感：L_t）与谐振电容（电容：C_t）组成LC振荡电路，该电路由逆变器产生的交变电源进行激励，在发射线圈周围产生交变电磁场；接收线圈（电感：L_r）与谐振电容（电容：C_r）也组成LC振荡电路，在发射线圈产生的交变电磁场中获得电能，获取的电能被整流处理后，提供给负载使用。磁耦合谐振式无线电能传输中，电能发射端与电能接收端通过电磁场实现了非接触的电能传输。四线圈结构的无线电能传输如图2所示，其特征是在图1中增加了两个线圈。图2中，与逆变器相连的线圈称为激励线圈（单匝数），与负载相连的线圈称为负载线圈（单匝数），发射线圈与接收线圈均为多匝线圈。其中，激励线圈与发射线圈之间距离近，属于较密耦合；同样，负载线圈与接收线圈耦合距离近，也属于较密耦合。发射线圈和接收线圈之间距离较远，属于疏耦合。采用四线圈结构的无线电能传输，通过将发射线圈从电源分离出来、接收线圈从负载中分离出，来提高这两个线圈电路的品质因数，从而在较远距离仍能获得较高传输效率。但是无论是两线圈结构、还是四线圈结构，均要求所用的LC电路的固有频率与激励频率及电磁场频率相同，以形成“共振”，获得较高传输效率。通常，无论是两线圈结构、四线圈结构，产生电磁场的部分均称为发射磁场电路，接收电磁场的部分称为接收磁场电路。

发射磁场电路的固有频率（由发射端的L_t、C_t决定）与输入的激励电源（逆变器输出）的频率相同——即发射电路谐振时，发射电路产生的交变电磁场最强；接收磁场电路的固有频率（由接收端的L_r、C_r决定）与交变磁场频率相同——即接收电路谐振时，接收电路可从交变电磁场获得最大电能。当发射磁场电路不谐振（失谐）、或接收磁场电路不谐振（失谐），或两个电路虽谐振，但两者的谐振频率不相同——即两个电路“不共振”时，磁谐振耦合无线电能传输效率下降，传输功率变低。

发射磁场电路的固有频率与输入激励的频率不相同时，可通过两种方法使其重新达到谐振状态，一种是调节激励频率，使其和发射磁场电路的固有频率相同；另外一种办法是调整发射电路的L或C的值，使发射电路的固有频率和激励频率相同。同样，当接收电磁场电路的固有频率与交变电磁场的变化频率不相同时，也可通调节电磁场频率，使其和接收电磁场电路的固有频率相同；或调整电磁场接收电路L或C的值，使电磁场接收电路的固有频率和交变电磁场频率相同。

在某些情况下，要求电能传输的“共振”频率保持不变，此时，只能通过调节电路的L或C的值，使因干扰而失谐的电路重新谐振。例如，在人体植入式诊疗装置的无线供能中，植入体内的诊疗装置的电能接收部分因工作环境稳定，不易失谐。而体外的电能发射线圈因外界因素干扰而易失谐。这种情况下，发射电路的激励频率又必须与能量接收电路的谐振频率相同，此时只有调整发射电路的L或者C的值，使发射电路在原有激励频率下再次谐振。如果不调整发射电路的L或者C的值，而改变激励频率，使发射电路在新的频率点谐振，这会使发射电路的谐振频率与接收电路的谐振频率不再相同-即 “不共振”，这会导致传输效率的急剧下降。

在另外一些情况下，需要按一定的要求同时调整发射、接收电路的谐振频率，以提高电能传输的稳定性。这种情况下，因谐振频率变化，需调整电路的L或者C的值，使其在新的频率点谐振。例如，当无线电能传输的电能发射线圈、电能接收线圈之间的距离、姿态、耦合面积、负载发生变化时，为了维持电能传输的稳定，需要对共振频率进行调整。比如，当两线圈之间的距离变大时，需调高谐振频率；而当两者之间的距离变小时，需降低谐振频率。在此种情况下，也只有调整发射电路、接收电路L或者C的值，使其跟随新的频率点再次谐振，才能维持高效率电能传输。

现有技术有的采用调整谐振频率方法、有的采用相控电感来实现调谐方法。调整谐振频率的方法虽然易于实施，可能使电能发射端或电能接收端都谐振，但谐振频率不同，即“不共振”。因而导致其传输效率下降。相控电感调谐方法是通过控制固定电感的导通角来产生可变电感，以可变电感来补偿电路的失谐。但鉴于相控电感工作在开关状态，会给电路引入很多的谐波，而谐波会导致谐振电路损耗增加、性能不稳定，并对周围用电设备带来一定的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，以解决现有的磁耦合谐振式无线电能传输存在的高频失谐、耦合状态变化导致的传输效率不稳定问题。

本发明的目的是这样实现的，磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，包括两个反向并联的可控电抗器,可控电抗器包括电流控制器和电抗器。

本发明的特点还在于：

电抗器包括直流绕组及交流绕组且共用一个磁路；直流绕组与电流控制器输出相连，由谐振电路的电压与电流的相位差控制。

上述可控电抗器为直流可控电抗器。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，包括两个方向相反，并联使用的可控电抗器，用于对磁耦合谐振式无线电能传输的失谐进行补偿、或使谐振电路在新的频率点下重新谐振。通过谐振电路的电压与电流的相位差，控制电抗器的直流绕组的输入电流，使其交流绕组的电感值发生改变，将交流绕组接入谐振电路，用此可变电感，补偿谐振电路因参数变化而导致的失谐。

2、本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，采用了两个特性一致、反向并联的电抗器，使补偿在谐振回路的交变电流正、负两个方向均有效，避免了波形失真、谐波的产生及其它不利因素。

3、本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，不仅可以用于能量发射端的调谐，也可以用于能量接收端的调谐。

4、本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，不但可以解决磁耦合谐振电路的高频失谐问题，也可用于稳定耦合系数变化情况下无线电能传输的效率。与改变谐振频率方法相比，由于采用本发明可维持能量发射端与能量接收端的“共振”，故可保持高的传输效率；与相控电感调谐方法相比，具有电路损耗低、电磁干扰小的优点。

附图说明

图1为磁耦合谐振式无线电能传输的两线圈结构；

图2为磁耦合谐振式无线电能传输的四线圈结构；

图3为本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置结构示意图。

具体实施方式

下面以两线圈结构磁耦合谐振无线电能传输为例，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图3，磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，包括两个反向并联的可控电抗器，可控电抗器包括电流控制器和电抗器。将该可控电感调谐装置接入电能传输的谐振电容与线圈电感构成的LC谐振电路中，可对谐振电路的参数变化产生的等效电感进行补偿。

电抗器包括直流绕组及交流绕组且共用一个磁路；直流绕组与电流控制器输出相连，由谐振电路的电压与电流的相位差控制。失谐时，谐振电路的电压、电流之间的相位差，通过电流控制器使直流绕组的磁路饱和程度发生变化，进而使其交流绕组的电感值发生改变，用此可变电感，即可补偿谐振电路因参数变化导致的失谐、或使谐振电路在新的频率点重新谐振。

可控电抗器为直流可控电抗器。

电抗器的交流绕组接入到无线电能传输谐振电路的谐振电容与线圈电感之间，可对谐振电路的参数变化产生的等效电感进行补偿。本发明可控电感调谐装置可接入到无线电能传输谐振电路的谐振电容与线圈电感之间，对电路的参数变化导致的等效可变电感进行补偿，以实现“共振”条件下的谐振，或使谐振电路在新的频率点重新谐振，以解决因发射线圈与接收线圈之间距离、位置、姿态变化导致的传输效率不稳定问题。

如图3所示，当该调谐装置应用于电能传输发射端时，A、E端接驱动电源；当该调谐装置应用于电能传输接收端时，A、E端接负载。其中，L_t为线圈电感，C_t为谐振电容，L_v为因电路参数变化等效而成的电感。为了补偿L_v的变化，在电路中加入由电流控制器1、电流控制器2、电抗器1、电抗器2及相位比较器等组成的反馈控制回路，产生一个可变的、与L_v变化相反的电感L_cv。此电路的固有频率f₀：

f_{0} = \frac{1}{2 π \sqrt{C_{t} (L_{t} + L_{v} + L_{cv})}} - - - (1)

通过电流控制器1、电流控制器2对电抗器1、电抗器2进行控制，使f₀为恒定值，当此固有频率和激励频率或磁场频率相同时，就实现了谐振。

针对磁耦合谐振式无线电能传输特点，本发明提出的可控电感的调谐装置，实现了对磁耦合谐振式无线电能传输磁场发射电路、磁场接收电路的谐振调节，可使磁场发射电路、磁场接收电路维持在原有的频率下谐振，或在新的频率点重新谐振。

本发明提出的可控电抗器的调谐装置，其可控电抗器属于磁控电抗器中的直流可控电抗器。应用于磁耦合谐振式无线电能传输的两个直流可控电抗器位于图3的两个小虚线框内，电抗器包括两个电感绕组：直流控制绕组及交流绕组，两个绕组共用一个磁路。工作时，可通过改变电抗器直流绕组的直流电流来改变磁路的饱和程度，从而改变交流绕组的电感值。当直流电流加大时，磁路饱和程度加深，交流有效磁导率降低，交流绕组电感值变大；反之，当直流电流减小时，交流有效磁导率增大，交流绕组电感值变小。

本发明中，直流可控电抗器的电流控制器的控制信号来自于谐振电路电压、电流信号的相位差值信号。当谐振电路谐振时，两信号之间的相位差为零，当谐振电路不谐振时，两信号之间的相位差不为零，电流控制器有输出电流，并且差值越大，输出电流越大，产生的可变电感越大。

本发明中，由于谐振电路中的电流为交变电流，为了保证电流的正、负方向波形对称，谐波小，采用了两个特性完全一致的电抗器，并将其反向并联，可保证电流的正、负方向波形对称，谐波小。

电抗器是一种在电力系统中广泛应用电气设备。可控电抗器作为一种特殊的电抗器，可根据运行工况实时调节自身容量，用以稳定系统电压和控制无功功率，提高系统稳定性并改善电能质量。本发明利用可控电抗器电感值可调的特性对失谐的谐振电路进行调谐，可维持高效率、高功率、高稳定的无线电能传输。

本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，不仅可以用于能量发射端的调谐，也可以用于能量接收端的调谐。即对于图1所示的两线圈模式的磁耦合谐振式无线电能传输，可控电感调谐装置既可以串联于图1的BC回路，也可以串联于图1的B’C’回路。对于图2的四线圈模式的磁耦合谐振式无线电能传输，可控电感调谐装置可以连接于图2的中任何一个、部分或全部LC回路。

本发明磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，不仅可以用可控电感调谐装置进行谐振补偿，也可以按某种特殊要求，使其谐振状态按要求改变。

Claims

1.磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，其特征在于：包括两个反向并联的可控电抗器，所述可控电抗器包括电流控制器和电抗器。

2.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，其特征在于：所述电抗器包括直流绕组及交流绕组且共用一个磁路；所述直流绕组与所述电流控制器输出相连，由谐振电路的电压与电流的相位差控制。

3.如权利要求1或2所述的磁耦合谐振式无线电能传输可控电感调谐装置，其特征在于：所述可控电抗器为直流可控电抗器。