CN105634149A - Ac/ac注入型感应耦合式无线能量传输装置 - Google Patents

Ac/ac注入型感应耦合式无线能量传输装置 Download PDF

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CN105634149A CN201610065260.6A CN201610065260A CN105634149A CN 105634149 A CN105634149 A CN 105634149A CN 201610065260 A CN201610065260 A CN 201610065260A CN 105634149 A CN105634149 A CN 105634149A
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冬雷
鞠兴龙
王亚楠
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Abstract

本发明公开一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置。装置包括双向反激储能单元、能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元，利用能量转移单元使双向反激储能单元和高频谐振发射单元工作互不干扰，并通过对装置发射端的脉冲式能量注入控制，使装置以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高装置无线能量传输效率，并利用双向反激变换器工作特性，使装置能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转移过程，优化装置体积与成本，增加可靠性，具有实际应用价值，与此同时，采用一级AC/AC变换器不仅可以实现单位功率因数校正而且可以减低成本，提高系统效率。

Description

AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置
技术领域
本发明涉及一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，属于无线电能传输技术领域。
背景技术
在感应耦合式无线能量传输系统中，发射端逆变器负责产生谐振网络线圈中所需的高频交流电，为了满足谐振网络高频电流的要求，逆变器中开关管的工作频率一般要与谐振频率相同，但随着工作频率的升高，开关管的开关损耗会导致整体传输效率的降低。为此有研究人员提出了离散注入型的发射端控制方式，即保持输入电压不变，控制逆变器的间歇性工作，使得逆变器不工作时谐振网络才以自由振荡的形式传递能量。这一工作方式虽然可以降低逆变器的开关频率，然而它并没有完全实现离散能量注入的功能。由于振荡电流衰减的速度与接收端负载状况相关，当接收端负载足够大，使得每个谐振周期内逆变器注入谐振网络的能量可以在一个周期内衰减掉，则逆变器开关频率就会与谐振频率相同。不仅如此，由于该方法中的能量注入是通过在谐振过程中将电源接入谐振网络来实现，因此注入的能量会受到谐振网络以及接收端负载状况的影响。
专利1：一种基于无线电能传输的类LLC电路，申请号201510757137.6，该发明提供一种基于无线电能传输的类LLC电路，该电路利用将直流变成高频交流并同时完成软开关驱动的类LLC逆变驱动模块，在LLC电路软开关驱动下完成无线电能传输任务。
专利2：复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法，申请号201510691216.1，该发明提供一种复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法，利用CLC谐振网络实现了系统的恒流输出特性和耦合机构激励电压基本不受负载变化影响，并针对发射端谐振网络引起的逆变器环流问题设计了谐波抑制电路。
上述专利虽然利用特定结构谐振网络实现系统谐振电流稳定控制，但都需要逆变器工作在高频情况下，对系统电路负担较重。一般情况下，常用的H桥式和推挽式逆变器拓扑都只有单向阻断能力，因此输入只能为直流电源，而工业上应用感应耦合式无线能量传输系统的场合都只能提供50/60HZ的工频交流电源，为此在感应耦合式无线能量传输系统逆变器前端需要接入整流滤波模块，以提供稳定的直流电压输入。然而，由于工频交流电频率较低，且电压幅值通常会大于220V，因此整流滤波模块里所使用的半导体器件和储能元件的体积和功率等级都会较高，这样不仅给系统增加不小的体积和成本负担，还容易产生电磁干扰，降低系统可靠性。另外采用传统不控整流其功率因数较低，而且需要整流和逆变两级串联工作，效率较低。
发明内容
本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置。主要目的是通过对系统发射端拓扑的结构设计与控制，实现系统的脉冲式能量注入功能，使系统以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高系统无线能量传输效率，并利用双向反激储能单元工作特性，使系统能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转移过程，优化系统体积与成本，增加可靠性，同时采用一级AC/AC变换器不仅可以实现单位功率因数校正而且可以减低成本，提高系统效率。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双向反激储能单元、能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元；
双向反激储能单元包括双向开关支路、变压器T；变压器T的原边线圈L1和L2分别与在双向开关支路的两个支路串联；
能量转移单元位于双向反激储能单元和高频谐振发射单元之间；
交流电源向双向反激储能单元提供注入能量，双向反激储能单元与能量转移单元相连接，再与高频谐振发射单元相连，高频谐振发射单元通过发射线圈LT与接收线圈Lr的耦合谐振向接收端谐振单元传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗RL供电。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元的双向开关支路由开关管S1、二极管D1和开关管S2、二极管D2组成，所述变压器T包括原边线圈L1和L2、副边线圈L3、磁芯；开关管S1连接在二极管D1正极和地之间，开关管S2连接在二极管D2负极和地之间；变压器T原边线圈L1和L2串联，并分别连接在二极管D1负极、二极管D2正极与交流电源一端之间，交流电源另一端与地相连；变压器T原边线圈L1和L2通过变压器磁芯与副边线圈L3耦合传输能量。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元，通过控制两个开关管S1和S2，输入电流经过功率因数校正，跟踪输入电压相位，即与输入电压同相，并成正弦规律变化，装置所需传输的能量大小决定输入电流的幅值。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能量转移单元包括二极管D3、开关管S3；二极管D3正极与变压器T副边线圈L3一端相连，二极管D3负极与开关管S3功率端相连。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述高频谐振发射单元包括发射线圈LT、发射补偿电容CT、发射线圈电阻RT；发射线圈LT与发射线圈电阻RT串联，然后并联在发射补偿电容CT两端。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单元包括接收线圈Lr、接收补偿电容Cr、整流模块、负载滤波电容CL、负载阻抗RL；接收线圈Lr、接收补偿电容Cr组成并联谐振网络，并与整流模块和负载滤波电容CL相并联，最后接入负载阻抗RL；发射线圈LT与接收线圈Lr的耦合系数为K。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，根据系统中开关状态的不同，电路工作过程具体包括五个模态，实现步骤如下：
步骤A：开关管S2开通，S3关断，能量转移单元将双向反激储能单元和高频谐振发射单元分隔，双向反激储能单元和高频谐振发射单元互相隔离，独立工作，双向反激储能单元从交流电源收集能量对原边电感L2充电，与此同时，高频谐振发射单元中的能量以自由振荡的形式向与之耦合的接收线圈Lr进行传递，此为模态1；
步骤B：双向反激储能单元的控制器向开关管S2发出关断信号，然而为了保证变压器T中储存的能量可以完全转移到高频谐振发射单元中，能量注入必须发生在高频谐振发射单元中的补偿电容CT电压过零且电流方向为图4(b)所示的时刻后，因此该模态下开关状态不会有变化；
步骤C：当符合模态2中所述能量注入条件时，首先将开关管S3开通，打开能量注入通路，双向反激储能单元和高频谐振发射单元形成连接，变换器T中能量通过开关管S3注入到高频谐振发射单元中，此为模态3；
步骤D：经过一个短暂延时确保开关管S3稳定导通后，将开关管S2关断，原边线圈L2中储存的能量向副边线圈L3转移；能量转移完成后，副边线圈L3、发射线圈LT、发射补偿电容CT构成谐振网络，并且副边线圈L3在半个谐振周期内完成放电，此为模态4；
步骤E：副边线圈L3放电完毕后，开关管S3关断，双向反激储能单元和谐振网络重新断开，注入的能量通过谐振网络传输到接收端，此为模态5，当开关管S2再次开通时，系统回到模态1。
本发明提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述的系统五个工作模态，是交流电源输出为正时装置工作的五个模态，由于装置在交流电源输出电压为正和为负时是完全对称的，因此当交流电源的输出为负时，开关管S2保持关断，开关管S1执行如上所述的各步骤中开关管S2的动作来实现能量输出。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，利用能量转移单元将双向反激储能单元和高频谐振发射单元分隔，使两者在工作时互不干扰。
本发明的一个效果在于，通过对系统发射端拓扑的结构设计与控制，实现系统的脉冲式能量注入功能。
本发明的一个效果在于，使系统以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高系统无线能量传输效率。
本发明的一个效果在于，利用双向反激储能单元工作特性，使系统能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转移过程，优化系统体积与成本，增加可靠性，具有应用价值。
本发明的一个效果在于，通过双向反激储能单元，在控制输入能量的同时，还可以直接实现功率因数校正功能，降低系统成本，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明中AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置结构框图；
图2是本发明中AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置拓扑图；
图3是本发明中AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置功率因数校正的输入电流电压波形图；
图4是本发明中AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置的五个工作模态示意图，(a)表示模态1和模态2，(b)表示模态3，(c)表示模态4，(d)表示模态5；
图5是本发明中AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置五个工作模态对应的理想电压电流波形图；
附图中，各标号所代表的部件：1、双向反激储能单元2、能量转移单元3、高频谐振发射单元4、接收端谐振单元5、交流电源6、开关管S17、二极管D18、开关管S29、二极管D210、变压器T11、原边线圈L112、原边线圈L213、副边线圈L314、二极管D315、开关管S316、发射线圈LT17、发射补偿电容CT18、发射线圈电阻RT19、接收线圈Lr20、接收补偿电容Cr21、整流模块22、负载滤波电容CL23、负载阻抗RL。
具体实施方式
实施例：
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双向反激储能单元1、能量转移单元2、高频谐振发射单元3、接收端谐振单元4；
双向反激储能单元1包括双向开关支路、变压器T10，变压器T10的原边线圈L111和原边线圈L212分别与双向开关支路的两个支路串联；
能量转移单元2位于双向反激储能单元1和高频谐振发射单元3之间；
交流电源5向双向反激储能单元1提供注入能量，双向反激储能单元1与能量转移单元2相连接，再与高频谐振发射单元3相连，高频谐振发射单元3通过发射线圈LT16与接收线圈Lr19的耦合谐振向接收端谐振单元4传输能量，接收端谐振单元4接收能量并向负载阻抗RL23供电，AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置结构框图和具体电路拓扑分别如图1、图2所示。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元1的双向开关支路由开关管S16、二极管D17和开关管S28、二极管D29组成，所述变压器T10包括原边线圈L111和原边线圈L212、副边线圈L313、磁芯；开关管S16连接在二极管D17正极和地之间，开关管S28连接在二极管D29负极和地之间；变压器T10原边线圈L111和原边线圈L212串联，并分别连接在二极管D17负极、二极管D29正极与交流电源5一端之间，交流电源5另一端与地相连；变压器T10原边线圈L111和原边线圈L212通过变压器磁芯与副边线圈L313耦合传输能量。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元1，通过控制两个开关管S16和开关管S28，使输入电流成正弦规律变化，并且与输入电压同相位，输入电流的幅值由所需传输的能量大小决定，从而实现功率因数校正，并提高系统效率，对应的输入电压电流波形如图3所示，可以看出输入电流与输入电压同相位，而且输入电流平均值为正弦波。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能量转移单元2包括二极管D314、开关管S315；二极管D314正极与变压器T10副这线圈L313一端相连，二极管D314负极与开关管S315功率端相连。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能量转移单元2将双向反激储能单元1和高频谐振发射单元3分隔，使两者在工作时互不干扰；开关管S315处于关断状态时，双向反激储能单元1和高频谐振发射单元3互相隔离，独立工作，双向反激储能单元1从交流电源5收集能量并储存到变压器T10的磁芯中，与此同时，高频谐振发射单元3中的能量以自由振荡的形式向与之耦合的接收线圈Lr19进行传递；开关管S315处于导通状态时，双向反激储能单元1和高频谐振发射单元3形成连接，变换器T中能量通过S3注入到高频谐振发射单元3中。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述高频谐振发射单元3包括发射线圈LT16、发射补偿电容CT17、发射线圈电阻RT18；发射线圈LT16与发射线圈电阻RT18串联，然后并联在发射补偿电容CT17两端。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单元4包括接收线圈Lr19、接收补偿电容Cr20、整流模块21、负载滤波电容CL22、负载阻抗RL23；接收线圈Lr19、接收补偿电容Cr20组成并联谐振网络，并与整流模块21和负载滤波电容CL22相并联，最后接入负载阻抗RL23；发射线圈LT16与接收线圈Lr19的耦合系数为K。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，当交流电源5输出正电压时，开关管S16保持关断，通过控制开关管S28的开通或关断来实现能量输出；当交流电源5输出负电压时，开关管S28保持关断，通过控制开关管S16的开通或关断来实现能量输出。
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，根据系统中开关状态的不同，电路工作过程具体包括五个模态，每个模态示意图如图4所示，对应的理想电压电流波形如图5所示，实现步骤如下：
步骤A：开关管S28开通，开关管S315关断，双向反激储能单元1从交流电源5收集能量对原边电感L2充电，原边电感L2上电流变化可由公式(1)描述，与此同时，高频谐振发射单元3中的能量以自由振荡的形式向与之耦合的接收线圈Lr19进行传递，此为模态1；
V i n = L 2 dI L 2 ( t ) d t - - - ( 1 )
其中，Vin为暂态输入电压，由于双向反激储能单元1的开关频率远远大于交流电压源50Hz的工作频率，因此在一个开关周期内可以视Vin保持不变；
步骤B：双向反激储能单元1的控制器向开关管S28发出关断信号，然而为了保证变压器T10中储存的能量可以完全转移到高频谐振发射单元3中，能量注入必须发生在高频谐振发射单元3中的补偿电容CT电压过零且电流方向为图4(b)所示的时刻后，因此该模态下开关状态不会有变化，此为模态2；
步骤C：当符合模态2中所述能量注入条件时，首先将S315开通，打开能量注入通路，双向反激储能单元1和高频谐振发射单元3形成连接，变换器T中能量通过开关管S315注入到高频谐振发射单元3中，此为模态3；
步骤D：经过一个短暂延时确保开关管S315稳定导通后，将开关管S28关断，基于磁势平衡原理，原边线圈L212中储存的能量向副边线圈L313转移，忽略漏感，可以得到两者电流之间的关系如公式(2)所示；能量转移完成后，副边线圈L313、发射线圈LT16、发射补偿电容CT构17成谐振网络，并且副边线圈L313在半个谐振周期内完成放电，此为模态4；
I L 3 = N 2 N 3 I L 2 - - - ( 2 )
其中N2和N3分别为原边线圈L212和副边线圈L313的线圈匝数；
步骤E：副边线圈L313放电完毕后，开关管S315关断，双向反激储能单元1和谐振网络重新断开，注入的能量通过谐振网络传输到接收端，此为模态5，当开关管S28再次开通时，系统回到模态1。
所述的系统五个工作模态，由于系统在交流电源5输出电压为正和为负时是完全对称的，因此假设交流电源5输出为正，开关管S16保持关断，通过控制开关管S28的开通或关断来实现能量输出；当交流电源5的输出为负时，开关管S28保持关断，通过控制开关管S16的开通或关断来实现能量输出，开关管S16重复如上所述的各步骤中开关管S2的动作。
本发明的上述实施例可以看出，利用能量转移单元2将双向反激储能单元1和高频谐振发射单元3分隔，使两者在工作时互不干扰，实现了系统的脉冲式能量注入功能，使系统以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高系统无线能量传输效率，与此同时，利用双向反激储能单元1工作特性，使系统能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转移过程，优化了系统体积与成本，增加了系统可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双向反激储能单元(1)、能量转移单元(2)、高频谐振发射单元(3)、接收端谐振单元(4)；
双向反激储能单元(1)包括双向开关支路、变压器T(10)，变压器T(10)的原边线圈L1(11)和L2(12)分别与双向开关支路的两个支路串联；
能量转移单元(2)位于双向反激储能单元(1)和高频谐振发射单元(3)之间；
交流电源(5)向双向反激储能单元(1)提供注入能量，双向反激储能单元(1)与能量转移单元(2)相连接，再与高频谐振发射单元(3)相连，高频谐振发射单元(3)通过发射线圈LT(16)与接收线圈Lr(19)的耦合谐振向接收端谐振单元(4)传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗RL(23)供电。
2.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元(1)的双向开关支路由开关管S1(6)、二极管D1(7)和开关管S2(8)、二极管D2(9)组成，所述变压器T(10)包括原边线圈L1(11)和L2(12)、副边线圈L3(13)、磁芯；开关管S1(6)连接在二极管D1(7)正极和地之间，开关管S2(8)连接在二极管D2(9)负极和地之间；变压器T(10)原边线圈L1(11)和L2(12)串联，并分别连接在二极管D1(7)负极、二极管D2(9)正极与交流电源(5)一端之间，交流电源(5)另一端与地相连；变压器T(10)原边线圈L1(11)和L2(12)通过变压器磁芯与副边线圈L3(13)耦合传输能量。
3.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述的双向反激储能单元，通过控制两个开关管S1(6)和S2(8)，输入电流经过功率因数校正，跟踪输入电压相位，即与输入电压同相，并成正弦规律变化，装置所需传输的能量大小决定输入电流的幅值。
4.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能量转移单元(2)包括二极管D3(14)、开关管S3(15)；二极管D3(14)正极与变压器T(10)副边线圈L3(13)一端相连，二极管D3(14)负极与开关管S3(15)功率端相连。
5.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述高频谐振发射单元(3)包括发射线圈LT(16)、发射补偿电容CT(17)、发射线圈电阻RT(18)；发射线圈LT(16)与发射线圈电阻RT(18)串联，然后并联在发射补偿电容CT(17)两端。
6.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单元(4)包括接收线圈Lr(19)、接收补偿电容Cr(20)、整流模块(21)、负载滤波电容CL(22)、负载阻抗RL(23)；接收线圈Lr(19)、接收补偿电容Cr(20)组成并联谐振网络，并与整流模块(21)和负载滤波电容CL(22)相并联，最后接入负载阻抗RL(23)；发射线圈LT(16)与接收线圈Lr(19)的耦合系数为K。
7.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，根据系统中开关状态的不同，电路工作过程具体包括五个模态，实现步骤如下：
步骤A：开关管S2(8)开通，开关管S3(15)关断，能量转移单元(2)将双向反激储能单元(1)和高频谐振发射单元(3)分隔，双向反激储能单元(1)和高频谐振发射单元(3)互相隔离，独立工作,双向反激储能单元(1)从交流电源(5)收集能量对原边电感L2(12)充电，与此同时，高频谐振发射单元(3)中的能量以自由振荡的形式向与之耦合的接收线圈Lr(19)进行传递，此为模态1；
步骤B：双向反激储能单元(1)的控制器向开关管S2(8)发出关断信号，然而为了保证变压器T(10)中储存的能量可以完全转移到高频谐振发射单元(3)中，能量注入必须发生在高频谐振发射单元(3)中的补偿电容CT(17)电压过零且电流方向为顺时钟的时刻后，因此该模态下开关状态不会有变化，此为模态2；
步骤C：当符合模态2中所述能量注入条件时，首先将开关管S3(15)开通，打开能量注入通路，双向反激储能单元(1)和高频谐振发射单元(3)形成连接，变换器T(10)中能量通过开关管S3(15)注入到高频谐振发射单元(3)中，此为模态3；
步骤D：经过一个短暂延时确保开关管S3(15)稳定导通后，将开关管S2(8)关断，原边线圈L2(12)中储存的能量向副边线圈L3(13)转移；能量转移完成后，副边线圈L3(13)、发射线圈LT(16)、发射补偿电容CT(17)构成谐振网络，并且副边线圈L3(13)在半个谐振周期内完成放电，此为模态4；
步骤E：副边线圈L3(13)放电完毕后，开关管S3(15)关断，双向反激储能单元(1)和谐振网络(3)重新断开，注入的能量通过谐振网络(3)传输到接收端，此为模态5，当开关管S2(8)再次开通时，系统回到模态1。
8.如权利要求7所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置工作模态，系统五个工作模态，是交流电源(5)输出为正时装置工作的五个模态，由于装置在交流电源(5)输出电压为正和为负时是完全对称的，因此当交流电源(5)的输出为负时，开关管S2(8)保持关断，开关管S1(6)执行如权利要求7所述的各步骤中开关管S2(8)的动作来实现能量输出。
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