CN103199634A - 磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置 - Google Patents

Abstract

磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，包括由两个反向并联的补偿支路构成的补偿电路和一个控制系统；每一个补偿支路由一个容值固定电容和一个开关管串联；所述补偿电路与谐振电容并联或串联，对谐振电路工作时因电路参数变化导致的失谐进行补偿。本发明针对磁耦合谐振式无线电能传输特点，提出“容值固定电容+开关管”式的相控电容调谐装置，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补偿，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。

Description

磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置

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。

现有技术采用相控电感来实现调谐。采用相控电感调谐是通过控制固定电感的导通角来产生可变电感，以可变电感来补偿谐振电路的失谐。但鉴于电感本身体积较大，并且易受外界因素干扰，因此，采用相控电感的方法无法实现小型化，并且存在不稳定的弊端。

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相控电容调谐装置，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相控电容调谐装置，包括由两个反向并联的补偿支路构成的补偿电路和一个控制系统；每一个补偿支路由一个容值固定电容和一个开关管串联；补偿电路与谐振电容并联或串联，对谐振电路工作时因电路参数变化导致的失谐进行补偿。

本发明的特点还在于：

补偿电路与谐振电容并联或串联后再与线圈电感串联或并联构成LC谐振电路。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明针对磁耦合谐振式无线电能传输特点，提出“容值固定电容+开关管”式的相控电容调谐装置，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补偿，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。

2、本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，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；不仅可以用于两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输，也可以用于四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输。

3、本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，不仅可以通过“容值固定电容+开关管”式相控电容调谐装置进行谐振补偿，也可以使其谐振状态按要求改变。

4、本发明提出的“容值固定电容+开关管”式的相控电容调谐装置，不但可以解决磁耦合谐振电路的失谐问题，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，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，由于相控电容具有体积小、性能稳定、价格低廉，故本发明调谐装置具有便于集成、易于推广的优势。

5、本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置比现有的相控电感调谐装置更易于实施。

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相控电容调谐装置结构示意图；

图4为本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置调谐原理分析图。

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。

磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，包括由两个反向并联的补偿支路构成的补偿电路和一个控制系统；每一个补偿支路由一个容值固定电容和一个开关管串联；补偿电路与谐振电容并联或串联，对谐振电路工作时因电路参数变化导致的失谐进行补偿。

补偿电路与谐振电容并联或串联后再与线圈电感串联或并联构成LC谐振电路。

本发明通过开关管控制容值固定电容的充、放电导通角，等效生成容值可变电容，用此可变电容，补偿谐振电路因参数变化而导致的失谐。

图3为包括本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置在内的无线电能传输发射端或接收端的电路图（本图为补偿电路与谐振电容并联后再与线圈电感串联构成LC串联谐振电路）。本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置用于电能传输发射端时，C、B端接驱动电源；当本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置应用于电能传输接收端时，C、B端接负载。其中，L_t为线圈电感，C_t为谐振电容，C_v为因电路参数变化等效而成的电容。为了补偿C_v的变化，在电路中加入由开关管（MOSFET）S₁、S₂及容值固定电容C₁、C₂的组成的相控电容补偿电路，产生一个可变的、与C_v变化相反的电容C_Cv。此电路的固有频率f₀：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_t(C_v+C_t+C_{\mathrm{cv}})}}---\left(1\right)$

通过对S₁、S₂的控制，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。

无线电能传输发射端或接收端工作时，当电流由D端流向C端，这时，谐振电容C_t接入回路，容值固定电容C₂通过S₂的续流二极管也接入回路，如果在电流方向未改变的某时刻接通S₁，且接通时间为t_on+，其等效容之为K₊C₁，其中，K₊表示C₁接入时间和一个周期的比值，其范围为为0～0.5，则发射电路的谐振频率为：

$f_{0+}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_t(C_v+C_t+(C_2+k_{+}{C}_1))}}---\left(2\right)$

同理，当电流由C端流向D端，这时，谐振电容接入回路，容值固定电容C₁通过S₁的续流二极管也接入回路，如果在电流方向未改变的某时刻接通S₂，且接通时间为t_on-，其等效容之为K_-C₂，同理，K_-表示C₂接入时间和一个周期的比值，其范围为0～0.5，则发射电路的谐振频率为：

$f_{0-}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_t(C_v+C_t+({k_{-}C}_2+C_1))}}---\left(3\right)$

如果C₁=C₂=C，且流过电路的电流波形在正反两个方向都维持对等均衡，即t_on+=t_on-=t_on，K₊=K_-=K，则有：

$f_0=f_{0-}=f_{0+}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_t(C_v+C_t+C(1+k))}}---\left(4\right)$

在实际的应用系统中，为了便于控制，通常选择导通角作为控制量，来实现对相控电容的控制，分析如图4所示。当图3应用于电能发射端时，通常在B、C两端由逆变电路（如H桥电路）产生的交变方波电压进行驱动，该电压经过发射端的LC滤波后，在电容C、D两端将产生正弦波形；当图3应用于电能接收端时，通常在电容C、D两端也将产生正弦波形。设定C、D两端的电压信号的峰值为V_ac，与MOSFET管S₁、S₂相连的电容器C₁、C₂两端电压分别为U_c1、U_c2，如图4所示。设定θ是开通角，介于0和π/2之间，其值与一比较电压V_dc相关。对于C₁，S₁在（θ,π-θ）期间将其关闭，对于C₂，S₂在（π+θ,2π-θ）期间将其关闭。在这期间，C₁、C₂两端的电压将为V_dc。由于电压波形为正弦波，则开通角度θ和V_dc、V_ac之间的关系满足：

$\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{dc}}}{V_{\mathrm{ac}}}\right)---\left(5\right)$

C₁、C₂在本电路中的作用用等效电容C_eq1来代替，根据两者在一个工作周期中的充电电荷的绝对值相等，对C₁，C_eq1应满足：

${\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{C}_{\mathrm{eq}1}{V}_{\mathrm{ac}}\left|\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\right|d\left(\mathrm{\ωt}\right)={\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{C}_1\left|V_{c1}\right|d\left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(6\right)$

其中，ω为角频率，对上式求解：

$4C_{\mathrm{eq}1}{V}_{\mathrm{ac}}={\∫}_0^{\mathrm{\θ}}{C}_1{V}_{\mathrm{ac}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)+{\∫}_{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}}{C}_1{V}_{\mathrm{dc}}d\left(\mathrm{\ωt}\right)$

$+{\∫}_{\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}}^{\mathrm{\π}}{C}_1{V}_{\mathrm{ac}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)+{\∫}_{\mathrm{\π}}^{2\mathrm{\π}}{C}_1{V}_{\mathrm{ac}}\left|\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\right|d\left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(7\right)$

由此，可得C₁等效电容C_eq1的容值：

$C_{\mathrm{eq}1}=\frac{2C_1[2-\cos \left(\mathrm{\θ}\right)]+C_1\sin \left(\mathrm{\θ}\right)[\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ}]}{4}---\left(8\right)$

同理，可得C₂等效电容C_eq2的容值：

$C_{\mathrm{eq}2}=\frac{2C_2[2-\cos \left(\mathrm{\θ}\right)]+C_2\sin \left(\mathrm{\θ}\right)[\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ}]}{4}---\left(9\right)$

由前面的设定：C₁=C₂=C，则电容器C₁、C₂在一个完整周期中的等效电容：

$C_{\mathrm{cv}}=C_{\mathrm{eq}}=\frac{2C[2-\cos \left(\mathrm{\θ}\right)]+C\sin \left(\mathrm{\θ}\right)[\mathrm{\π}-2\mathrm{\θ}]}{2}---\left(10\right)$

因此，根据式（10）可知，当θ为0时，即S₁和S₂一直关闭，C_cv为C；当θ为π/2时，S₁或S₂一直导通，C_cv为2C，通过调节导通角度，容值固定电容的变化范围为(C，2C)。

具体应用时，可首先测量电路参数变化引起的频率变化范围，根据此范围选择合适的容值容值固定电容的容值，然后要建立一套反馈控制系统对相控电容的导通角进行控制。反馈控制系统的一个输入量是要设定的频率（即共振频率），另一个输入量是参数变化情况下电路的实际固有频率，反馈的输出即用来对电容的导通角进行控制。通过此方向实现对磁耦合谐振式无线电能传输电路的失谐进行调谐，或者在新设定的频率点进行重新调谐。

本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，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，“容值固定电容+开关管”式的相控电容既可以并联于图1的CD端，也可以并联于图1的C’D’端。

本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，不仅可以将此调谐装置用于两线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输，也可以用于四线圈结构的磁耦合谐振式无线电能传输。既对于图2的四线圈模式的磁耦合谐振式无线电能传输，“容值固定电容+开关管”既可以并联或串联于图2的中任何一个调谐电容，也可以并联或串联于部分或全部调谐电容。

本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，不仅可以将“容值固定电容+开关管”与谐振电容并联，也可以与谐振电容串联。

本发明磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，不仅可以进行谐振补偿，也可以按某种特殊要求，使其谐振状态按要求改变。

本发明提出相控电容调谐装置可对失谐的磁耦合谐振电路进行调谐，以维持高效率、高功率、高稳定的电能传输。由于相控电容体积小、性能稳定、价格低廉，与相控电感相比有诸多优势。

Claims (3)

1.磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，其特征在于：包括由两个反向并联的补偿支路构成的补偿电路和一个控制系统；每一个补偿支路由一个容值固定电容和一个开关管串联；所述补偿电路与谐振电容并联或串联，对谐振电路工作时因电路参数变化导致的失谐进行补偿。

2.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，其特征在于：所述补偿电路、谐振电容并联后与线圈电感串联或并联构成LC谐振电路。

3.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输相控电容调谐装置，其特征在于：所述补偿电路、谐振电容串联后与线圈电感串联或并联构成LC谐振电路。

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