CN104052161A - 适应多负载动态切换的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适应多负载动态切换的无线电能传输系统，包括实现电能发射的原边模块和实现电能拾取的副边模块，所述原边模块通过电磁耦合谐振向副边模块传输电能，所述副边模块在进行不同功率负载切换时，通过软切换逐步增加负载两端电压的方式逐步改变副边的反射阻抗，使原边模块的谐振频率及相位的变化保持在其频率跟踪控制自适应范围内。该系统原边模块能够根据负载的动态变化，平稳地作出调整，使原边模块能稳定工作；同时对于系统的输出电压，由于负载切换是采用软切换变换负载，减少了负载变化对系统谐振的影响，同时也保证了系统副边输出电压的稳定性，不出现输出电压过冲或者欠压。

Description

适应多负载动态切换的无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种适应多负载动态切换的无线电能传输系统。

背景技术

传统的电能传输方式大多通过导线或插座将电能传输到终端产品，这种传输方式会带来摩擦，易产生电火花等问题，从而影响电气设备的安全可靠性，无线电能传输技术能使我们摆脱传统的电能传输方式，实现非接触式的新型电能传输。磁耦合谐振式无线电能传输技术利用磁耦合和谐振技术来实现电能的无线传输，具有较远的传输距离和较高的传输效率，相对于电磁波式和电磁感应式无线电能传输技术具有更多的优点，获得了相对广泛的应用。

目前，电能无线传输技术已经应用于家用电器，能够实现数米范围内一定功率的无线传输，替代了原有的“插头+插座”的供电方式，具有整洁、安全、可移动性强的特点，但是随着家用电器技术的发展，家用电器越来越趋于功能细化和节能，如电饭煲、电压力锅为保证加工出的食物有好的口感，会要求在不同时段进行不同程度的加热；节能方面体现为大火加热、小火保温等。上述功能的具体实现均会涉及该家用电器的负载动态切换问题。实际应用中，在进行多负载动态切换时，会使副边模块的反射阻抗发生变化，反射阻抗的突变会引起整个系统谐振频率产生突变，发射端电源中的瞬态驱动频率无法与谐振频率保持一致，系统工作在失谐状态，会导致逆变电路中的开关器件电流过流，严重时烧毁开关器件，或是触发自保护电路，使系统失效；同时副边模块的输出电压会出现过压和欠压问题，从而影响负载的正常工作，导致无线电力传输系统不能正常工作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种适应多负载动态切换的无线电能传输系统，能够解决多负载动态切换时的系统失谐现象，使系统对动态多负载切换具有更好的自适应性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种适应多负载动态切换的无线电能传输系统，包括实现电能发射的原边模块和实现电能拾取的副边模块，所述原边模块通过电磁耦合谐振向副边模块传输电能，所述副边模块在进行不同功率负载切换时，通过以软切换方式逐步改变负载两端电压来逐步改变副边的反射阻抗，使无线电能传输系统的谐振频率及相位的变化保持在其频率跟踪控制自适应范围内。

进一步的，所述副边模块通过软切换电路进行负载切换，使负载两端电压实现逐步改变。

优选的，所述软切换电路采用具有线性开关功能的电路，使负载两端电压实现逐步改变。

优选的，所述软切换电路采用具有软启动功能的固体继电器实现负载的软切换，使负载两端电压实现逐步改变。

优选的，所述软切换电路采用可编程迟滞控制电路实现负载的软切换，使负载两端电压实现逐步改变。

进一步的，所述具有线性开关功能的电路为RC延时电路，通过RC延时电路来实现开关管的线性开通和关闭，从而实现线性变换电压的软切换方式来切换负载。

进一步的，实现频率跟踪控制的电路主体为锁相环闭环控制系统，包括依次串联的采样、相位补偿比较器、锁相环和PWM驱动器。

所述采样电路连接至原边线圈，PWM驱动器连接逆变控制电路并控制逆变电路的工作状态。

进一步的，所述原边模块包括整流滤波稳压电路、辅助电源、逆变电路、逆变控制电路、频率跟踪控制电路和原边线圈，其中：

整流滤波稳压电路：主要将交流电整流滤波后，输出稳定的直流电作为逆变电路的输入；

辅助电源：提供电源给逆变控制电路；

逆变电路：将直流电压转变为高频交流电压，作为原边谐振线圈的激励；

逆变控制电路：输出逆变电路的PWM驱动控制，并根据频率跟踪控制电路的反馈信息，来调整PWM输出波形的频率与相位；

频率跟踪控制电路：跟随原边线圈谐振耦合频率变化，实现对原边模块回路的频率跟踪控制并传递到逆变控制电路；

原边线圈：在高频交流电对原边线圈的激励下产生高频交流电磁场。

进一步的，所述副边模块包含副边线圈、功率变换电路、负载控制电路、软切换电路，其中：

副边线圈：通过与原边线圈产生的电磁场谐振耦合，拾取原边的电磁场能量；

功率变换电路：将拾取的高频交流电磁场转换为电能，提供合适的电压给负载控制电路和负载；

负载控制电路：选择相应的负载，并对负载的各种功能进行控制；

软切换电路：副边模块在进行负载切换时，实现逐步增加负载两端电压，以逐步改变副边的反射阻抗。

本发明所述的无线电能传输系统，副边模块采用软切换电路来控制多负载的切换，使副边的反射阻抗逐步变化，避免了突变的产生，减小了副边反射阻抗变化对系统谐振频率及相位的影响，使系统谐振频率及相位的变化不超出其频率跟踪控制的调节范围，使得原边模块能够根据负载的动态变化，平稳地作出调整，系统能稳定工作；同时可以保证系统输出电压的稳定性，不出现副边输出电压过冲或者欠压的情况。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为适应多负载动态切换的无线电能传输系统的结构图；

图2为频率跟踪控制电路的原理图；

图3为具有线性开关功能电路的示例性软切换电路的原理图；

图4（a）和图4（b）为软切换负载时负载两端电压的波形图；

图5（a）和图5（b）为无软切换电路时，负载动态切换时负载两端电压的波形图；

图6为多负载动态软切换的工作原理框图。

具体实施方式

如图1所示，给出了本发明所述适应多负载动态切换的无线电能传输系统的原理结构图。该系统包括实现电能发射的原边模块和实现电能拾取的副边模块，所述原边模块通过电磁耦合谐振向副边模块传输电能。

原边模块主要包括以下部分：

整流滤波稳压电路：主要将交流电整流滤波后，输出稳定的直流电，作为逆变电路的输入；

辅助电源：提供电源给逆变控制电路；

逆变电路：将直流电压转变为高频交流电压，作为原边谐振线圈的激励；

逆变控制电路：输出逆变电路的PWM驱动控制，并根据频率跟踪控制电路的反馈信息，来调整PWM输出波形的频率与相位；

频率跟踪控制电路：跟随原边线圈谐振耦合频率变化，实现对原边模块回路的频率跟踪控制并传递到逆变控制电路；

原边线圈：在高频交流电对原边线圈的激励下产生高频交流电磁场。

副边模块主要包括以下部分：

副边线圈：通过与原边线圈产生的电磁场谐振耦合，拾取原边的电磁场能量；

功率变换电路：将拾取的高频交流电磁场转换为电能，提供合适的电压给负载控制电路和负载；

负载控制电路：选择相应的负载，并对负载的各种功能进行控制；

软切换电路：副边模块在进行负载切换时，实现逐步改变负载两端电压，以逐步改变副边的反射阻抗。

图2为所述频率跟踪控制电路的原理图，其工作原理如下：采样电路采用比较器检测原边线圈两端的电压，得到系统的谐振频率，再根据原边线圈两端的电压信号差V₀，V₀经差分放大后得到V₁相位，将其进行补偿以后与输入端电压的相位进行比较，一旦系统失谐二者必定有相位差产生，比较结果会得到V₁，对V₁进行相位补偿，并与参考电压比较，得到与发射回路谐振频率一致的脉冲电压V₂，V₂输入到锁相环，锁相环输出一个与V₂频率相同的脉冲到PWM驱动器，PWM驱动器连接逆变控制电路并上位控制逆变电路开关管，从而使开关频率跟随系统谐振耦合频率变化，实现对发射回路的频率跟踪控制。

图3给出了实现多负载动态软切换的软切换电路的一个示例，该软切换电路主要包括以下部分：

由三极管Q₁、Q₂组成的驱动电路：该驱动电路提高由负载控制电路发出的驱动信号的驱动能力。该驱动电路也可采用驱动芯片代替；

RC延时电路：主要软切换电路中加入RC延时电路，通过RC延时电路将开关模式设置为线性开关，采用线性调整电压方式来切换负载，并可以通过调整RC延时电路参数来设置负载切换的延迟时间。

开关管Q3和Q4：驱动信号控制开关管Q3和Q4的开启和关闭。当Q3和Q4开通的时候，可以将电压加载到负载，实现负载的切换。其中的开关管Q3和Q4可以为MOSFET、IGBT、功率三极管和SCR晶闸管等相关的开关器件但不仅限于这些器件。

图4中为软切换负载时，负载两端电压变化的示意图，

其中图4(a)是负载两端电压为直流电压时的电压变化曲线的示意图；

图4(b)是负载两端电压为交流电压时的电压变化曲线的示意图；

具体说明如下：

U_DC和U_AC为负载切换时加载到负载两端的电压，t为时间；采用软切换动态切换负载时，由图4可以看出加载到负载上的电压是在△t里（经过几个周期后）才加大到正常供电电压，△t=R₂*C₁（如图3）为线性开关打开的时间。由于电压是缓慢增加，系统带载的功率变化（△P）以及系统的负载（△Z）也是缓慢增加。单位时间里的功率和负载的变化较小，对系统的各项参数影响较小。

图5中为无软切换电路的情况下进行负载动态切换时，负载两端的电压变化及原边谐振电压变化的示意图，其中：

其中图5(a)是负载两端电压为直流电压时的电压变化曲线的示意图；

图5(b)是负载两端电压为交流电压时的电压变化曲线的示意图；

采用普通开关来控制不同功率负载的切换，由于图5中的△t近似为0，加载到负载上的电压是在开关开通时就为正常供电电压。这种负载切换的方式由于△t近似为0，系统带载的功率突变，副边的反射阻抗也在突变，功率的突变以及反射阻抗的突变对系统的各项参数产生较大的影响。

图6给出了多负载动态软切换工作原理框图，主要包括以下部分：

输入电源：提供电源给开关管，当开关管打开时，将电压加载到负载上；

负载控制电路：控制各开关管的开通和关闭。

图6中开关为软切换开关，在副边模块动态切换负载时，采用软切换来切换负载。软切换的电路可采用具有线性开关功能的电路，具有软启动功能的固体继电器、可编程迟滞控制电路等相关电路。

负载：负载包括多个负载，负载都是采用并联的方式相连接。

其中各个开关和负载的阻抗说明如下：

开关S₁、S₂、...、S_n的阻抗分别为Z_s1、Z_s2、...、Z_sn；

负载1、负载2、...、负载N的阻抗分别为Z₁、Z₂、...、Z_n

动态多负载软切换的工作原理如下:

当副边模块采用软切换电路来控制不同功率负载切换时，由图6可以看出：

假设系统一直工作在负载1的状态下，这时开关S₁为开通状态，S₁的阻抗Z_s1近似为0，副边的等效阻抗近似为Z₁;

当采用软切换技术控制加入负载2时，由于负载1和负载2连接采用的是并联的方式，副边的等效阻抗近似为：

$z=Z_1//(Z_2+Z_{S2})=\frac{1}{[1/Z_1+1/(Z_2+Z_{S2})]}$

根据开关管开通时的内阻特性，Z_s2为一个变量，软切换的过程中，Z_s2由无穷大逐步变化为O，副边的等效阻抗也由Z₁逐步变为

由以上分析可以看出，软切换技术可以实现副边的等效阻抗由Z1逐步变为 $\frac{1}{[1/Z_1+1/Z_2]}.$

采用软切换电路切换负载时，副边的反射阻抗逐步变化，其反射阻抗对系统谐振频率及相位的影响很小，原边模块在频率跟踪控制电路的作用下能保证驱动频率与系统谐振频率保持一致，无线电能传输系统能稳定工作。同时，也可以保证系统输出电压的稳定性，不出现电压过冲或者欠压的情况。以上为采用针对本发明可行的实施例的具体说明，采用线性固态继电器以及可编程迟滞控制电路均可以作为实施例实现多负载动态软切换的功能。

上述说明是针对本发明可行的实施例的详细说明，而该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技术精神所做出的等效实施或变更的方式均应包含于本申请所请求保护的专利范围中。

Claims (10)

1.一种适应多负载动态切换的无线电能传输系统，包括实现电能发射的原边模块和实现电能拾取的副边模块，所述原边模块通过电磁耦合谐振向副边模块传输电能，其特征在于，所述副边模块在进行不同功率负载切换时，通过以软切换方式逐步改变负载两端电压来逐步改变副边的反射阻抗，使系统中谐振频率及相位变化保持在其频率跟踪控制自适应范围内。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述副边模块通过软切换电路进行负载切换，使负载两端电压实现逐步改变。

3.根据权利要求2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述软切换电路采用具有线性开关功能的电路，使负载两端电压实现逐步改变。

4.根据权利要求2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述软切换电路采用具有软启动功能的固体继电器实现负载的软切换，使负载两端电压实现逐步改变。

5.根据权利要求2所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述软切换电路采用可编程迟滞控制电路实现负载的软切换，使负载两端电压实现逐步改变。

6.根据权利要求3所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述具有线性开关功能的电路为RC延时电路，通过RC延时电路来实现开关管的线性开通和关闭，从而实现线性变换电压的软切换方式来切换负载。

7.根据权利要求1至6中任一个所述的无线电能传输系统，其特征在于，实现频率跟踪控制的电路主体为锁相环闭环控制系统，包括依次串联的采样电路、相位补偿比较器、锁相环和PWM驱动器。

8.根据权利要求7所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述采样电路连接至原边线圈，PWM驱动器连接逆变控制电路并控制逆变电路的工作状态。

9.根据权利要求7所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述原边模块包括整流滤波稳压电路、辅助电源、逆变电路、逆变控制电路、频率跟踪控制电路和原边线圈，其中：

整流滤波稳压电路：主要将交流电整流滤波后，输出稳定的直流电作为逆变电路的输入；

辅助电源：提供电源给逆变控制电路；

逆变电路：将直流电压转变为高频交流电压，作为原边谐振线圈的激励；

逆变控制电路：输出逆变电路的PWM驱动控制，并根据频率跟踪控制电路的反馈信息，来调整PWM输出波形的频率与相位；

频率跟踪控制电路：跟随原边线圈谐振耦合频率变化，实现对原边模块回路的频率跟踪控制并传递到逆变控制电路；

原边线圈：在高频交流电对原边线圈的激励下产生高频交流电磁场。

10.根据权利要求7所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述副边模块包含副边线圈、功率变换电路、负载控制电路、软切换电路，其中：

副边线圈：通过与原边线圈产生的电磁场谐振耦合，拾取原边的电磁场能量；

功率变换电路：将拾取的高频交流电磁场转换为电能，提供合适的电压给负载控制电路和负载；

负载控制电路：选择相应的负载，并对负载的各种功能进行控制；

软切换电路：副边模块在进行负载切换时，实现逐步增加负载两端电压，以逐步改变副边的反射阻抗。