CN103560593A - 基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统及控制方法，系统包括高频逆变器、高频谐振器、电场耦合机构以及电能变换环节，其特征在于：高频逆变器为双E类放大高频逆变器，该高频逆变器与高频谐振器之间还设置有高频变压器，高频谐振器上还连接有控制器，在控制器的输出端还连接有电感补偿调谐模块和驱动电路。其显著效果是：本发明较好解决了抬高耦合机构两端高频电压，增强电场强度，提升传输距离以及如何降低高频开关管两端电压以满足现阶段高频电力电子器件需求这一相互制约问题，提高了系统的功率容量，降低了开关管的电压，减少了开关损耗，提高了系统的自适应能力。

Description

基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电场耦合型无线电能传输（Electrical-fieldcoupled power transfer）技术，简称ECPT技术，尤其涉及一种基于新型拓扑的电场耦合型无线能量传输系统及其控制方法。

背景技术

近年来，在无线电能传输技术领域，基于电场耦合技术的无线电能传输技术因其独特的优势得到了国内外许多的研究者的重视。从目前取得的研究成果可以看出，ECPT系统的耦合电极简易轻薄并且形状不受限制，系统具有较好的柔韧性并且整体的成本低；拾取电极甚至可以设计成空腔结构，副边相关的集成电路也可以包围在内部，拾取电路的设计形式多样性较强；在工作状态中电场耦合结构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；尤其是当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗。基于以上的特点，利用电场耦合实现电能无线传输在一些有特殊要求的领域具有自己的优势。

纵观目前的ECPT系统，均存在传输功率低、传输距离小，传输系统不稳定等共性的问题。ECPT系统要提升传输功率与效率需采用提高耦合机构两端驱动交流电的电压与频率，降低耦合机构高频阻抗的办法,然而却存在抬高耦合机构两端高频电压用以增强电场强度以及如何降低高频开关管两端电压以满足现阶段高频电力电子器件需求这一相互制约的问题，亟待从电能变换拓扑结构根本上解决，达到两者需求矛盾的统一。并且ECPT系统能量发射电极与拾取电极的相对移动会改变电极的耦合系数。而耦合系数的时变会导致ECPT产生固有频率漂移的问题，无法保证系统稳定工作。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明首先提供一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，改变逆变电路的拓扑结构，提出一种融合高频变压器的ECPT系统的电能变换拓扑，进一步完善拓扑结构,从而解决抬高耦合机构两端高频电压，增强电场强度，提升传输距离以及如何降低高频开关管两端电压以满足现阶段高频电力电子器件需求这一相互制约问题，同时增设相应的电感补偿调谐模块，以解决耦合系数的时变导致ECPT产生固有频率漂移的问题，保证系统稳定工作。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，包括高频逆变器、高频谐振器、电场耦合机构以及电能变换环节，所述高频逆变器从电源电路中获取电能，该电能经过高频逆变和高频谐振后由所述电场耦合机构实现无线电能传输，所述电能变换环节从所述电场耦合机构中获取能量并实现对负载供电，其关键在于：

所述高频逆变器为双E类放大高频逆变器，该高频逆变器与高频谐振器之间还设置有高频变压器，所述高频谐振器上还连接有控制器，该控制器从高频谐振器中获取谐振电流和谐振电压，在控制器的输出端还连接有电感补偿调谐模块和驱动电路，控制器根据高频谐振器中的谐振电流和谐振电压改变所述电感补偿调谐模块输出的电感值，控制器还通过所述驱动电路输出PWM信号控制所述高频逆变器工作。

通过采用双E类放大高频逆变器，提高了系统的功率容量，降低开关管的电压，减少了开关损耗，通过高频变压器将高频逆变器输出的正弦波形提升为高压小电流状态，使得系统单位面积的能量传输密度大大增强，从而提升系统传输能力,减小了谐振电感体积。高压的高频交流电经过高频谐振器进行调谐，最后加载到电场耦合极板上，通过电场耦合极板产生交互电场，在交互电场作用下产生位移电流“流过”极板实现能量传输，能量接收变换环节可以将拾取电能根据用电设备的需要，经过同步整流后为不同的用电设备提供合适的直流电。当电场耦合机构中的耦合极板发生移位时，控制器可以通过调整电感补偿调谐模块的输出电感值保证系统始终处于稳定状态，同时保证高频逆变器中的开关管处于软开关状态。相对于常规的电场耦合型无线电能传输系统而言，本发明系统拓扑结构新颖、功率容量大，无线电能传输效率高，自适应能力强。

作为进一步描述，所述高频逆变器主要由扼流环L₁、扼流环L₂、开关管Q₁、开关管Q₂、电容C₁和电容C₂组成，其中扼流环L₁的一端与电源电路的正极连接，扼流环L₁的另一端连接在开关管Q₁的漏极上，开关管Q₁的源极接电源电路的负极，开关管Q₁的栅极接所述驱动电路的第一输出端上，在开关管Q₁的漏极和源极之间连接电容C₁，扼流环L₂的一端与电源电路的正极连接，扼流环L₂的另一端连接在开关管Q₂的漏极上，开关管Q₂的源极接电源电路的负极，开关管Q₂的栅极接所述驱动电路的第二输出端上，在开关管Q₂的漏极和源极之间连接电容C₂，开关管Q₁和开关管Q₂的漏极分别作为所述高频逆变器的输出端。

本方案中的高频逆变器采用两组扼流环、开关管组成对称的双E类放大环节，两个开关管在控制器的控制下交互式的通断，从而在双E类放大器开关管的两端形成一个类似正弦波的波形，使其可以通过后端的高频变压器。

作为一种谐振方式，所述高频谐振器设置有谐振电感L和谐振电容C₃，该谐振电感L和谐振电容C₃串接在高频变压器的两个输出端上，所述谐振电容C₃的一端经过电感补偿调谐模块后与电场耦合机构中的第一发射电极板相连，谐振电容C₃的另一端与电场耦合机构中的第二发射电极板相连。

作为优选，所述控制器从高频谐振器中获取的谐振电流为流过所述电感补偿调谐模块中的电流，控制器从高频谐振器中获取的谐振电压为谐振电容C₃两端的电压差。

为了减少高频变压器的铁芯损耗，所述高频变压器为E-E型铁氧体磁芯制成的壳式变压器。

为了方便的实现电感补偿，所述电感补偿调谐模块包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕制在外支架上，所述第二线圈绕制在内支架上，所述外支架和内支架通过转轴活动连接在一起，外支架中的第一线圈和内支架中的第二线圈通过转轴上的导电环和外支架中的电刷实现电连接，在转轴的一端安装有步进电机，该步进电机用于带动所述内支架在所述外支架内转动。

为了便于接线，在所述外支架上还连接有两个接线抽头。

为了便于电感输出参数的控制，所述第一线圈和第二线圈的匝数相同。

结合电路结构，本发明还提供了一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统的控制方法，该方法可以简化控制流程，维护了系统稳定，提高系统的自适应能力，具体如下：

首先，选定负载和电能变换环节总的等效阻值为R_L，系统谐振频率为ω₀，电场耦合机构中第一发射电极板与第一接收电极板之间以及第二发射电极板与第二接收电极板之间的等效电容均为C_s，当控制器检测到高频谐振器中的谐振电流为I_A，谐振电压为U_c3时，控制器控制所述电感补偿调谐模块输出的等效电感值为 $L_b=\frac{-1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_s}+\frac{U_{c3}-I_A{R}_L}{I_A{\mathrm{\ω}}_0}j.$

本方法通过控制器实时检测高频谐振器中的谐振电流I_A和谐振电压为U_c3，从而判定电场耦合机构中的耦合电极板是否发生移位，通过控制电感补偿调谐模块输出的补偿电感值来维持系统稳定。

为了进一步实现电感补偿值的控制，所述电感补偿调谐模块包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕制在外支架上，所述第二线圈绕制在内支架上，所述外支架和内支架通过转轴活动连接在一起，外支架中的第一线圈和内支架中的第二线圈通过转轴上的导电环实现电连接，在转轴的一端安装有步进电机，该步进电机用于带动所述内支架在所述外支架内转动，设定第一线圈和第二线圈的匝数均为N，第二线圈所围成的有效面积为S，第二线圈的磁链长度为l，当需要控制电感补偿调谐模块输出等效电感值为L_b时，控制器控制步进电机转动角度θ，使其满足：

其中的μ为磁场常数。

基于上述电感补偿调谐模块可以看出，控制器根据步进电机转角与等效电感的对应关系可以确定相应的控制信号，从而实现谐振网络中的电感可调，维持系统稳定。

本发明的显著效果是：系统改变了逆变电路的拓扑结构，通过运用双E类放大逆变器，提高了系统的功率容量，降低了开关管两端的电压，减少了开关损耗，通过增设高频变压器，提高了系统传输性能，同时增设相应的电感补偿调谐模块，适应了电场耦合极板间的位置变化，提高了系统的自适应能力，除此之外，系统控制方法简单，通过电流检测和电压检测即可实时跟踪系统运行状态，通过简单的步进电机控制即可快速实现电感补偿。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明的主电路原理图；

图3是图1中高频变压器的结构示意图；

图4是图1中电感补偿调谐模块的结构示意图；

图5是图4中转轴和外支架中的电连接结构示意图；

图6是正常情况下各测试点的波形图；

图7是电极移位后各测试点的波形图；

图8是电极移位后加入补偿电感时各测试点的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，包括电源电路1、高频逆变器2、高频变压器3、高频谐振器4、电场耦合机构5、电能变换环节6、负载7、控制器8、电感补偿调谐模块9和驱动电路10，所述高频逆变器2从电源电路1中获取电能，电源电路1可以由交流市电经过整流后得到的直流电提供，也可以直接接入直流电源，电源电路1输出的直流电经过高频逆变器2逆变成交流电，接着经过高频变压器3进行电压提升，然后再由高频谐振器4谐振到电场耦合机构5中，高频谐振电流通过电场耦合机构5中的两对电极板（第一发射电极板、第一接收电极板、第二发射电极板和第二接收电极板）产生交互电场，在交互电场作用下产生位移电流“流过”极板实现无线电能传输，电能接收端的电能变换环节6从所述电场耦合机构5中获取能量并实现对负载7供电。

由于电场耦合机构5中的电极板容易发生移位，因此系统通过增设电感补偿调谐模块9来维持系统的稳定，具体实施时，电感补偿调谐模块9输出的有效电感值由控制器8控制，该控制器8从高频谐振器4中获取谐振电流和谐振电压，同时控制器8还通过驱动电路10输出PWM信号控制高频逆变器2工作。

如图2所示，所述高频逆变器2为双E类放大高频逆变器，主要由扼流环L₁、扼流环L₂、开关管Q₁、开关管Q₂、电容C₁和电容C₂组成，其中扼流环L₁的一端与电源电路1的正极连接，扼流环L₁的另一端连接在开关管Q₁的漏极上，开关管Q₁的源极接电源电路1的负极，开关管Q₁的栅极接所述驱动电路10的第一输出端上，在开关管Q₁的漏极和源极之间连接电容C₁，扼流环L₂的一端与电源电路1的正极连接，扼流环L₂的另一端连接在开关管Q₂的漏极上，开关管Q₂的源极接电源电路1的负极，开关管Q₂的栅极接所述驱动电路10的第二输出端上，在开关管Q₂的漏极和源极之间连接电容C₂，开关管Q₁和开关管Q₂的漏极分别作为所述高频逆变器2的输出端。

从图2中还可以看出，在本实施例中，所述高频谐振器4设置有谐振电感L和谐振电容C₃，该谐振电感L和谐振电容C₃串接在高频变压器3的两个输出端上，所述谐振电容C₃的一端经过电感补偿调谐模块9后与电场耦合机构5中的第一发射电极板相连，谐振电容C₃的另一端与电场耦合机构5中的第二发射电极板相连。

根据控制参数的需要，控制器8从高频谐振器4中获取的谐振电流为流过所述电感补偿调谐模块9中的电流，控制器8从高频谐振器4中获取的谐振电压为谐振电容C₃两端的电压差。

如图3所示，为了降低高频变压器3中铁芯的损耗，所述高频变压器3为E-E型铁氧体磁芯制成的壳式变压器。

如图4和图5所示，为了便于实现电感补偿，所述电感补偿调谐模块9包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕制在外支架上，所述第二线圈绕制在内支架上，这里的第一线圈和第二线圈的匝数相同，所述外支架和内支架通过转轴活动连接在一起，外支架中的第一线圈和内支架中的第二线圈通过转轴上的导电环和外支架中的电刷实现电连接，在转轴的一端安装有步进电机，该步进电机用于带动所述内支架在所述外支架内转动，在所述外支架上还连接有两个接线抽头。

具体实施时，第二线圈的两个端头分别与转轴上的导电环电连接，第一线圈一端与一个接线抽头连接，另一端通过外支架上的电刷与第二线圈的一个端头连接，第二线圈的另一端头通过外支架上的另一个电刷连接在另一个接线抽头上，拾取第一线圈和第二线圈串接在两个接线抽头之间。

根据上述描述，本发明还提出了一种控制方法，主要用于对系统中的电感补偿调谐模块9进行控制，具体如下：

首先，选定负载7和电能变换环节6总的等效阻值为R_L，系统谐振频率为ω₀，电场耦合机构5中第一发射电极板与第一接收电极板之间以及第二发射电极板与第二接收电极板之间的等效电容均为C_s，当控制器8检测到高频谐振器4中的谐振电流为I_A，谐振电压为U_c3时，

控制器8控制所述电感补偿调谐模块9输出的等效电感值为 $L_b=\frac{-1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_s}+\frac{U_{c3}-I_A{R}_L}{I_A{\mathrm{\ω}}_0}j.$

具体实施时，如果电感补偿调谐模块9中的第一线圈和第二线圈的匝数为N，第二线圈所围成的有效面积为S，第二线圈的磁链长度为l，当需要控制电感补偿调谐模块9输出等效电感值为L_b时，控制器8通过控制步进电机转动角度θ来实现电感值L_b的补偿，这里角度θ满足：其中的μ为磁场常数，上述各个物理量所用的计量单位均为常用单位。

下面结合附图6-8进一步说明本发明的技术效果，如图6所示，此时第一发射电极板与第一接收电极板之间以及第二发射电极板与第二接收电极板之间的等效电容C_s=1nF，图中从上到下依次为开关管驱动信号波形图，双开关管两端的电压信号图，负载的电压信号图以及开关管内电压电流图，此时电感补偿调谐模块9输出等效电感值L_b=0，系统通过谐振电感L和谐振电容C3维持在谐振状态。当电场耦合机构5中的极板发生移位时，如图7所示，此时第一发射电极板与第一接收电极板之间以及第二发射电极板与第二接收电极板之间的等效电容C_s=0.4nF，当电感补偿调谐模块9不进行电感补偿时，可以发现，图7中开关管两端的电压及内部电流的波形出现尖脉冲，难以保证软开关工作状态，开关损耗严重。此时控制器8通过检测高频谐振器4中的谐振电流I_A和谐振电压U_c3，控制电感补偿调谐模块9输出等效电感值L_b=1.1mH，通过图8可以看出，加入电感补偿后，双开关管两端的电压信号以及开关管内电压电流波形再次恢复到正常状态，从而实现系统自适应控制的目的。

最后需要说明的是，尽管这里参照本发明的实施例进行了描述，但是应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。比如说，在本申请文件公开范围内，可以利用电感整列或者滑动电感等方式来实现电感补偿调谐模块的功能，可以对电场耦合机构5各个极板的布局、形状或尺寸进行多种变型和改进，可以选择不同的负载改变本发明的具体应用场景等等。

Claims (10)

1.一种基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，包括高频逆变器（2）、高频谐振器（4）、电场耦合机构（5）以及电能变换环节（6），所述高频逆变器（2）从电源电路（1）中获取电能，该电能经过高频逆变和高频谐振后由所述电场耦合机构（5）实现无线电能传输，所述电能变换环节（6）从所述电场耦合机构（5）中获取能量并实现对负载（7）供电，其特征在于：

所述高频逆变器（2）为双E类放大高频逆变器，该高频逆变器（2）与高频谐振器（4）之间还设置有高频变压器（3），所述高频谐振器（4）上还连接有控制器（8），该控制器（8）从高频谐振器（4）中获取谐振电流和谐振电压，在控制器（8）的输出端连接有电感补偿调谐模块（9）和驱动电路（10），控制器（8）根据高频谐振器（4）中的谐振电流和谐振电压改变所述电感补偿调谐模块（9）输出的电感值，控制器（8）还通过所述驱动电路（10）输出PWM信号控制所述高频逆变器（2）工作。

2.根据权利要求1所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：所述高频逆变器（2）主要由扼流环L₁、扼流环L₂、开关管Q₁、开关管Q₂、电容C₁和电容C₂组成，其中扼流环L₁的一端与电源电路（1）的正极连接，扼流环L₁的另一端连接在开关管Q₁的漏极上，开关管Q₁的源极接电源电路（1）的负极，开关管Q₁的栅极接所述驱动电路（10）的第一输出端上，在开关管Q₁的漏极和源极之间连接电容C₁，扼流环L₂的一端与电源电路（1）的正极连接，扼流环L₂的另一端连接在开关管Q₂的漏极上，开关管Q₂的源极接电源电路（1）的负极，开关管Q₂的栅极接所述驱动电路（10）的第二输出端上，在开关管Q₂的漏极和源极之间连接电容C₂，开关管Q₁和开关管Q₂的漏极分别作为所述高频逆变器（2）的输出端。

3.根据权利要求1所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：所述高频谐振器（4）设置有谐振电感L和谐振电容C₃，该谐振电感L和谐振电容C₃串接在高频变压器（3）的两个输出端上，所述谐振电容C₃的一端经过电感补偿调谐模块（9）后与电场耦合机构（5）中的第一发射电极板相连，谐振电容C₃的另一端与电场耦合机构（5）中的第二发射电极板相连。

4.根据权利要求3所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：所述控制器（8）从高频谐振器（4）中获取的谐振电流为流过所述电感补偿调谐模块（9）中的电流，控制器（8）从高频谐振器（4）中获取的谐振电压为谐振电容C₃两端的电压差。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：所述高频变压器（3）为E-E型铁氧体磁芯制成的壳式变压器。

6.根据权利要求1或3所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：所述电感补偿调谐模块（9）包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕制在外支架上，所述第二线圈绕制在内支架上，所述外支架和内支架通过转轴活动连接在一起，外支架中的第一线圈和内支架中的第二线圈通过转轴上的导电环和外支架中的电刷实现电连接，在转轴的一端安装有步进电机，该步进电机用于带动所述内支架在所述外支架内转动。

7.根据权利要求6所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：在所述外支架上还连接有两个接线抽头。

8.根据权利要求6所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统，其特征在于：所述第一线圈和第二线圈的匝数相同。

9.一种如权利要求3所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：选定负载（7）和电能变换环节(6)总的等效阻值为R_L，系统谐振频率为ω₀，电场耦合机构（5）中第一发射电极板与第一接收电极板之间以及第二发射电极板与第二接收电极板之间的等效电容均为C_s，当控制器（8）检测到高频谐振器（4）中的谐振电流为I_A，谐振电压为U_c3时，控制器（8）控制所述电感补偿调谐模块（9）输出的等效电感值为 $L_b=\frac{-1}{{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_s}+\frac{U_{c3}-I_A{R}_L}{I_A{\mathrm{\ω}}_0}j.$

10.根据权利要求9所述的基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：所述电感补偿调谐模块（9）包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈绕制在外支架上，所述第二线圈绕制在内支架上，所述外支架和内支架通过转轴活动连接在一起，外支架中的第一线圈和内支架中的第二线圈通过转轴上的导电环实现电连接，在转轴的一端安装有步进电机，该步进电机用于带动所述内支架在所述外支架内转动，设定第一线圈和第二线圈的匝数均为N，第二线圈所围成的有效面积为S，第二线圈的磁链长度为l，当需要控制电感补偿调谐模块（9）输出等效电感值为L_b时，控制器（8）控制步进电机转动角度θ，使其满足：

其中的μ为磁场常数。

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