CN105406605B - 一种电容耦合式无线功率传输电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容耦合式无线功率传输电路及其控制方法，电容耦合式无线功率传输电路包括H桥逆变发射器和H桥逆变接收器。直流电压经H桥变换器H1逆变输出一个高频的交流电流，然后通过LpCt滤波之后，通过两对极板的电场耦合原理，功率通过电场耦合从发送端传输至接收端，将在电容Cs两端感应生成一个相应的交流电压，再经H桥变换器H2控制输出功率给输出直流侧负载充电。该种电容耦合传输方式，可以有效可以省去笨重的发射线圈和耦合线圈，降低装置的体积和成本，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及无线功率传输领域，特别是一种电容耦合式无线功率传输电路及其控制方法。
背景技术
自从第二次工业革命以来，人类社会便进入了电气化时代。大至遍布全球各地的电网、高压线，小到各种家用电气设备，电能的传输主要通过金属导线的点对点直接接触传输。这种“有线”的传输方式带来了不少问题。由于存在摩擦、老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。这些问题都在呼唤一种脱离金属导线的电能传输方式，即无线电能传输。实现无线电能传输将使人类应用电能更加宽广、更加灵活。
无线电能传输(wireless power transfer,WPT)，指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。早在1893年的哥伦比亚世博会上，美国科学家Nikola Tesla展示了他的无线磷光照明灯。Nikola Tesla利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了灯泡。这是人类在无线电能传输初期阶段的重要尝试。1968年，美国航空工程师Peter Glaser提出了建立空间太阳能电站的概念，利用在外太空的卫星，收集太阳能并传输到地球表面上来。随后，美国和日本等主要发达国家相继开展了空间太阳能电站的研究。
目前，根据传输机理的不同，无线电能传输可以分为电磁辐射方式、电场耦合方式、磁场耦合方式和超声波方式等。目前收到较多关注的是磁场耦合式无线电能传输。该方式利用电源侧的线圈产生交变磁场，耦合到负载侧的线圈，继而将电能传递给负载。根据是否发生谐振及传输距离相对于传输线圈直径的大小，可以分为感应式和谐振式。磁耦合感应式无线电能传输(magnetically coupled inductive wireless power transfer，MCI-WPT)机理类似于可分离变压器。气隙部分代替了铁心，导致了磁力线没有定向的通道和负载侧的线圈相铰链。因此只有在较短的距离下，才能实现较大功率和较高效率的传输。当距离增大后，传输效率急速下降。该无线电能传输方式一般只有在小于传输线圈直径的传输距离下，才能达到较高的效率和较大的功率。而磁耦合谐振式无线电能传输(magneticallycoupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)则利用谐振原理，使得其在中等距离(传输距离一般为传输线圈直径的几倍)传输时，仍能得到较高的效率和较大的功率，并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响。相比于感应式，该方法传输距离较远；相比于辐射式，其对电磁环境的影响较小，且功率较大，故近年来MCR-WPT得到越来越多的研究。
然而，在某些应用场合，例如移动设备、笔记本电脑等，基于电场耦合(或称电容耦合)原理的无线电能传输技术(capacitively coupled power transfer，CCPT)也日益引起人们的关注。传统电感耦合式无线充电电路结构图如图1所示，该结构主要有两部分组成，由前级整流器和电感耦合式无线传输电路(或称ICPT电路)组成。ICPT电路是由前级H桥逆变发射器和后级H桥逆变接受器组成，其中发送器和接收器电路经电感耦合，功率通过磁耦合从发送端传输至接收端。前级整流器经电感L1连接至电网，整流输出一个直流电压vdc。ICPT电路包含两个H桥变换器H1和H2，两个LCL型谐振补偿电路，Lp、Ls、Ct、Cs分别为谐振电感和电容；两个耦合线圈的寄生电感Lt和Ln，互感为M；充电电池用E表示。整流器经PWM控制为ICPT电路提供恒定的直流电压，经H桥变换器H1在互感器原边绕组上逆变出高频的交流电流，频率通常为10kHz-40kHz，再经H桥变换器H2控制输出功率给负载供电。
有文献已分别给出了不同类型的动力电池与不同充电策略下电池所需充电功率随充电时间变化的曲线，可知充电过程中充电机很长一段时间内容量利用率都不高，此时可以控制PWM整流器向电网注入无功补偿充电站内其他感性负载消耗的无功功率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种电容耦合式无线功率传输电路控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种电容耦合式无线功率传输电路，包括发射端H桥变换器和接收端H桥变换器，发射端H桥变换器输入端与整流器连接，发射端H桥变换器输出端与第一LC型谐振补偿电路连接；第一LC型谐振补偿电路通过两对极板与第二LC型谐振补偿电路连接；所述第二LC型谐振补偿电路与接收端H桥变换器连接。
本发明还提供了一种上述电容耦合式无线功率传输电路的控制方法，该方法包括以下两部分：
1)发射端H桥变换器的控制过程包括：通过载波环节产生一个信号，输出给正弦环节sin(x)，然后正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动发射端H桥变换器第一桥臂的两个开关管；同时，载波环节输出值与π相加，送入给正弦环节sin(x)，然后正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动发射端H桥变换器第二桥臂的两个开关管；
2)接收端H桥变换器的控制过程包括：采样第二LC型谐振补偿电路电容Cs两端的电压，送入锁相环环节PLL，输出一个相角值θ；检测负载直流侧电压vout，将直流侧电压参考值减去vout，然后送入PI控制器输出电流参考信号iref；检测流过第二LC型谐振补偿电路电感Ls的电流is，求取is的绝对值，然后通过低通滤波器LPF滤除交流成分，获得is的直流成分Is；将iref减去Is然后送入PI控制器，输出一个移相控制角；然后将θ输出给正弦环节sin(x)，正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动接收端H桥变换器第一桥臂的的两个开关管；与此同时，将θ与相加，输出给正弦环节sin(x)，然后将正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动接收端H桥变换器第二桥臂的两个开关管。
所述载波环节产生的信号为锯齿波，该锯齿波周期为fs，取值范围1kHz-10MHz，幅值为2π。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明电容耦合传输方式，可以有效可以省去笨重的发射线圈和耦合线圈，降低装置的体积和成本，具有很好的应用前景；该种结构特别适合于安装在淡水或者海水中，有助于增大耦合电容和电场强度，提高系统的传输功率，给水面的中小型功率游艇、舰艇或者水中的机电设备供电。
附图说明
图1为传统电感耦合式无线功率传输电路框图；
图2为本发明电容耦合式无线功率传输电路框图；
图3为本发明控制框图。
具体实施方式
本发明电容耦合式无线充电电路结构图如图2所示，该结构主要由两部分组成：前级整流器和电容耦合式无线传输电路(或称CCPT电路)。CCPT电路是由前级H桥逆变发射器和后级H桥逆变接收器组成，其中发送器和接收器电路经电容耦合，功率通过电场耦合从发送端传输至接收端。CCPT电路包含两个H桥变换器H1和H2，两个LC型谐振补偿电路，Lp、Ls、Ct、Cs分别为谐振电感和电容；两对极板A1、A2、B1和B2，可以分别看成一个电容，其等效电容值为C1和C2。整流器经PWM控制为CCPT电路提供恒定的直流电压，经H桥变换器H1逆变输出一个高频的交流电流，然后通过LpCt滤波之后，通过两对极板的电场耦合原理，将在电容Cs两端感应生成一个相应的交流电压，再经H桥变换器H2控制输出功率给负载直流侧电容和电池组充电。
CCPT具有如下主要特点：1)耦合电场集中在电容极板之间，较少存在向周围空间发射的交变电磁场，消除了人们对电磁辐射的担忧，能量也不会被周围的金属物质所吸收；2)待机时发射部分的功率损耗小，因为没有耦合电容来提供电流的通路；3)在耦合电容极板之间可以存在金属物质，也就是能量可以穿过金属；4)同时通过电容耦合方式，可以省去笨重的发射线圈和耦合线圈，降低装置的体积和成本。
CCPT电路的控制框图如图3所示。CCPT电路主要由发射端H桥变换器H1和接受端H桥变换器H2组成；H1由功率开关器件T1、T2、T3和T4组成；H2由功率开关器件T5、T6、T7和T8组成。电场能量的传输，主要是通过控制H桥变换器H1和H2实现的。
a)、发射端H桥变换器H1的控制过程如下：
首先通过载波环节产生一个信号(信号为锯齿波，周期为fs，幅值为2π)，输出给正弦环节sin(x)，然后正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0输出1，否则输出0，然后驱动H1第一桥臂的开关管T1和T2；同时，载波环节输出值与π相加，送入给正弦环节sin(x)，然后正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0输出1，否则输出0，然后驱动H1第二桥臂的开关管T3和T3。
b)、接收端H桥变换器H2的控制过程如下：
采样电容Cs两端的电压，送入锁相环环节PLL输出一个相角值θ；检负载直流侧电压vout，将参考值减去vout，然后送入PI控制器输出电流参考信号iref；检测流过电感Ls的电流is，通过绝对值环节|x|求取is的绝对值，然后通过低通滤波器LPF滤除交流成分，获得其直流成分Is；将iref减去Is然后送入PI控制器，输出一个移相控制角然后将θ输出给正弦环节sin(x)，正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0输出1，否则输出0，然后驱动H2第一桥臂的开关管T5和T6；与此同时，将θ与相加，输出给正弦环节sin(x)，然后正弦环节输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0输出1，否则输出0，然后驱动H2第二桥臂的开关管T7和T8。
Claims (2)
1.一种电容耦合式无线功率传输电路的控制方法，电容耦合式无线功率传输电路，包括发射端H桥变换器和接收端H桥变换器，发射端H桥变换器输入端与整流器连接，发射端H桥变换器输出端与第一LC型谐振补偿电路连接；第一LC型谐振补偿电路通过两对极板与第二LC型谐振补偿电路连接；所述第二LC型谐振补偿电路与接收端H桥变换器连接；其特征在于，该方法包括以下两部分：
1)发射端H桥变换器的控制过程包括：通过载波环节产生一个信号，输出给正弦环节sin(x)，然后正弦环节sin(x)输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动发射端H桥变换器第一桥臂的两个开关管；同时，载波环节输出值与π相加，送入给正弦环节sin(x)，将正弦环节sin(x)输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动发射端H桥变换器第二桥臂的两个开关管；
2)接收端H桥变换器的控制过程包括：采样第二LC型谐振补偿电路电容Cs两端的电压，送入锁相环环节PLL，输出一个相角值θ；检测负载直流侧电压vout，将直流侧电压参考值减去vout，然后送入PI控制器输出电流参考信号iref；检测流过第二LC型谐振补偿电路电感Ls的电流is，求取is的绝对值，然后通过低通滤波器LPF滤除交流成分，获得|is|的直流成分Is；将iref减去Is然后送入PI控制器，输出一个移相控制角然后将θ输出给正弦环节sin(x)，正弦环节sin(x)输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动接收端H桥变换器第一桥臂的两个开关管；与此同时，将θ与相加，输出给正弦环节sin(x)，然后将正弦环节sin(x)输出值送入比较环节，与0作比较，当sin(x)≥0时输出1，否则输出0，然后驱动接收端H桥变换器第二桥臂的两个开关管。
2.根据权利要求1所述的电容耦合式无线功率传输电路的控制方法，其特征在于，所述载波环节产生的信号为锯齿波，该锯齿波周期为fs，取值范围1kHz-10MHz，幅值为2π。
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