CN106921218A - 电能发射端及应用其的无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能发射端及应用其的无线电能传输装置，通过谐振电路调节原边线圈的电流信号，使得流过原边线圈的电流为恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号，这样可保证无论副边与原边的耦合情况是否良好或副边负载发生变动的情况下，原边传输至副边的能量不会发生变动,可保证能量传输效率达到最大化；同时利用频率调节电路调节所述准正弦电流信号中的高频或低频电流分量，使得所述准正弦电流信号的高频分量(或低频分量)的电流不会被发射线圈辐射出来，减小电路的损耗。相对于现有技术，本发明无需复杂的反馈机制，本发明所使用的系统结构简单，能应用于较复杂的环境，且效率高、损耗小。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及电能发射端及应用其的无线电能传输装置。
背景技术
无线电能传输技术由于其方便实用的特点而广泛应用于电子产品领域，目前，实现无线电能传输的方式主要有磁感应式和磁共振式两种方式，磁感应式由于受传输距离的限制其应用场合非常有限，磁共振式无线电能传输能够实现远距离、大功率的电能传输，可以广泛应用于电子终端、电动汽车、水下、地下等用电设备的充电和供电。
磁共振式无线电能传输装置主要包括发射部分和接收部分，两者通过电磁共振原理实现能量传输的最大化。如图1所示为磁共振式无线电能传输装置的电路框图，发射部分包括有原边发射线圈Ls和谐振电容Cs组成的谐振结构，接收部分包括有副边接收线圈Ld和谐振电容Cd组成的谐振机构。为了保证无线功率能够有效传输，通常要求原副边的谐振结构的谐振点一致或非常接近，并记作系统的工作频率。
磁共振无线电能传输系统在原边线圈和副边线圈耦合程度较高时，会出现频率分叉现象，即系统的最优效率点或最大功率传输点会偏离系统的谐振频率。为了解决频率分叉现象，现有技术中通常是设置阻抗调节网络，通过改变系统参数使得系统可以仍然工作在谐振频率点。如图2所示，通过在原副边各增加一个线圈，一个输入线圈，一个输出线圈(如图2中的Lg或LL所示)，通过手动调整输入线圈和原边线圈的耦合关系，以及输出线圈和副边线圈的耦合关系来改变系统的阻抗匹配网络，而手动的调节则明显不适用于原副边相对位置存在变化以及负载变动的情况。而且在无线电能传输中，由于原边线圈的电流存在不在系统工作频率的交流纹波，例如存在高于系统工作频率或低于系统工作频率的电流分量，这都对系统的损耗或传输效率产生影响，由于是高于系统工作频率的电流分量，由于在发射线圈中产生很大的集肤效应，导致线圈损耗大。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了电能发射端及应用其的无线电能传输装置，其通过电流调制电路调节原边线圈的电流信号，使得通过原边线圈的电流为恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号，并且通过频率调节电路使得所述准正弦电流信号中只包含在系统工作频率的电流分量。使得系统耦合性稳定，损耗小，传输效率高。
第一方面,依据本发明的一种电能发射端，用以向与其隔离的电能接收端传输能量，所述电能发射端包括：
电压变换器，接收电能以输出具有预设频率的高频交流电，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的系统工作频率一致，
电流调制电路，接收所述高频交流电，以获得调节电流信号，所述调节电流信号为具有恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号；
电能发射部分，包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述调节电流信号，产生空间磁场以向所述电能接收端传输能量；
其中，所述电流调制电路包括谐振电路和频率调节电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设频率一致；所述频率调节电路控制所述准正弦电流信号中只包含在系统工作频率的电流分量。
进一步的，所述谐振电路包括第一电感和第一电容，
所述第一电感和所述频率调节电路串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间，
所述第一电容的第一端与所述电能发射部分第一端连接，第二端接所述电压变换器的负输出端；
其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第一电容的第一端的信号作为所述调节电流信号。
进一步的，所述频率调节电路包括第二电感和第二电容，
所述第二电感和第二电容串联连接在所述第一电感的一端和第一电容的第一端之间，或者是所述第二电感和第二电容串联连接在所述电压变换器的正输出端和所述第一电感的一端之间，或者是所述第二电感、第一电感和第二电容依次串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间；
所述第二电感和第二电容的谐振频率与所述预设频率一致。
第二方面，依据本发明的一种无线电能传输装置，包括相互隔离的电能发射端和电能接收端，电能发射端包括有电压变换器、电流调制电路和电能发射部分，
所述电压变换器接收电能以输出具有预设频率的高频交流电，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的系统工作频率一致，
所述电流调制电路接收所述高频交流电，以获得调节电流信号，所述调节电流信号为具有恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号；
所述电能发射部分包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述调节电流信号，产生空间磁场以向所述电能接收端传输能量；
所述电能接收端包括副边接收线圈，所述副边接收线圈用于接收从电能发射部分传输的能量；
其中,所述电流调制电路包括谐振电路和频率调节电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设频率一致；所述频率调节电路控制所述准正弦电流信号中只包含有在系统工作频率的电流分量。
进一步的，所述谐振电路包括第一电感和第一电容，
所述第一电感和所述频率调节电路串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间，
所述第一电容的第一端与所述电能发射部分第一端连接，第二端接所述电压变换器的负输出端；
其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第一电容的第一端的信号作为所述调节电流信号。
进一步的，所述频率调节电路包括第二电感和第二电容，
所述第二电感和第二电容串联连接在所述第一电感的一端和第一电容的第一端之间，或者是所述第二电感和第二电容串联连接在所述电压变换器的正输出端和所述第一电感的一端之间，或者是所述第二电感、第一电感和第二电容依次串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间；
所述第二电感和第二电容的谐振频率与所述预设频率一致。
通过上述的电能发射端及应用其的无线电能传输装置，利用谐振电路使得原边线圈的电流为恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号，利用频率调节电路使得所述准正弦电流信号只包含系统工作频率的电流分量。本发明的无线电能传输系统具有以下有益效果：
1)在原边线圈的周围空间中产生恒定频率恒定幅值的交变磁场，保证原边传输至副边的电能不因外界变动因素如原副边线圈的位置变化(即原副边线圈耦合强度改变)或负载的改变而发生变动。
2)通过产生恒定频率恒定幅度的交变磁场，极大的有利于无线传输装置中副边接收端的设计。
3)由于在电能发射端产生恒定的空间磁场，可以实现单个发射线圈对应多个接收接圈，接收线圈之间相互不干扰，能够实现多路输出的独立控制。
4)本发明通过对原边发射线圈电流的频率调节控制，使得原边发射线圈的电流只包含在系统工作频率的电流分量，从而解决了高频分量带来的损耗较大的问题。
附图说明
图1所示为磁共振式无线电能传输装置的电路框图；
图2所示为现有技术中的磁共振式无线电能传输装置的阻抗匹配的一种实现方式；
图3所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路框图；
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
参考图3所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路框图；如图3所示,所述无线电能传输装置包括相互隔离的电能发射端和电能接收端,在本实施例中,所述电能发射端包括有电压变换器1、电流调制电路2和原边发射线圈Ls和谐振电容Cs组成电能发射部分3，所述电能接收端包括有副边接收线圈Ld和谐振电容Cd组成的电能接收部分4和整流电路5。这里，原边谐振电容Cs和副边谐振电容Cd并不一定是需要的，当对电路参数要求不高或线路寄生电容较大的情况下,原边谐振电容Cs和副边谐振电容Cd可以不需要。外部电能通过无线电能传输装置的原边的电能发射端向副边的电能接收端传输，经副边整流滤波电路处理后供给负载。
其中,所述电压变换器1具体为DC-AC电压变换器,DC-AC电压变换器可以为现有技术中的或改进的多种实现方式，如多开关管组成的桥式拓扑，半桥、全桥拓扑等,或者是单开关管组成的拓扑机构，如Class E放大器,ClassΦ放大器等,所述DC-AC电压变换器接收电能以输出具有预设频率的高频交流电Vin,所述预设频率与所述无线电能传输装置的系统工作频率ω0一致，即所述预设频率为ω0，需要明确的是,所述无线电能传输装置的系统工作频率是根据电路结构和效率要求预先设定的，例如，根据Alliance for Wireless Power(A4WP)的标准，为满足EMI标准，要求系统工作频率为6.78MHz，而根据无线充电联盟QI标准，一般要求系统工作频率为110-205kHz，用户可以根据标准的要求和电路的控制难易自定义系统的工作频率大小。
在本实施例中,所述电流调制电路2接收所述高频交流电Vin,经调制处理获得具有恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号,记为调节电流信号Ip。本发明实施方式中,所述电流调制电路包括谐振电路和频率调节电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设频率一致，也即是所述谐振电路的谐振频率与无线电能传输装置的系统工作频率一致。在本实施例中,所述谐振电路包括第一电感L1和第一电容C1，所述频率调节电路包括第二电感L2和第二电容C2，所述第一电感L1的第一端连接所述电压变换器1的正输出端，第二端接至所述第二电感L2第一端；所述第二电容的第一端接所述第二电感L2的第二端，所述第一电容C1的第一端与所述第二电容C2的第二端连接，第二端接所述电压变换器1的负输出端,其中，所述第一电感L1和第一电容C1的谐振频率与所述预设频率ω0一致,即有L1为第一电感的电感值，C1为第一电容的电容值；所述第二电感L2和第二电容C2的谐振频率与所述预设频率ω0一致,即有L2为第一电感的电感值，C2为第一电容的电容值；所述第一电容C1的第一端的信号作为所述调节电流信号Ip。
其中，所述第一电感L1、第二电感L2和第二电容C2的连接方式不限于上述所述，例如还可以为：所述第二电感L2和第二电容C2串联连接在所述电压变换器的正输出端和所述第一电感L1的一端之间，或者是所述第二电感L2、第一电感L1和第二电容C2依次串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间。
根据上述的电流调制电路具体阐述所述调节电流信号的获得过程:将上述原边发射线圈Ls、谐振电容Cs以及副边线圈的等效阻抗Zd记为磁共振网络阻抗Zs,则Zs为:
其中，Ls为原边发射线圈的电感值,Cs为原边谐振电容的电容值。
根据上述第一电感和第一电容的介绍，定义第一电感L1的阻抗为：jω0L1＝jX，则第一电容C1的阻抗为:-jX，第二电感L2的阻抗为：jω0L2＝jY第二电容C2的阻抗为：-jY，根据第一电感、第一电容、第二电感、第二电和磁共振网络的电路关系可得原边的总输入阻抗Zin为，其中，由于第二电感L2和第二电容C2串联连接，其在系统工作频率上阻抗之和为零，因此有Zin为：
设所述高频交流电的幅值为Vin，则根据公式(2)可得电流调制电路输出的调节电流信号Ip为:
从公式(3)中可以看出，当第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率ω0一致时,所述调节电流信号Ip的幅值由第一电感L1在系统工作频率下的阻抗和输入电压共同决定，当第一电感L1的阻抗和输入电压确定后，则所述调节电流信号Ip为恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号，所述恒定频率为与所述预设频率ω0一致。这里需要说明的是，所述恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号是指基波频率恒定，但是准正弦电流信号中有包含除掉基波以外的多次谐波。从图3中可知，所述调节电流信号Ip为所述原边发射线圈的电流信号，而当原边发射线圈通过恒定频率恒定幅值的交变电流时，所述交流电流为准正弦电流信号，将会在原边线圈的周围空间中产生恒定频率恒定幅值的交变磁场，这样，副边的电能接收端就能接收到稳定的电能量,不因外界因素如原副边线圈耦合的变化或负载的变化而变化,确保能量传输效率的最大化。此外，从公式(2)中还可以看出，在本实施例中，原边的总输入阻抗Zin表现为感性特征，这样有利于实现DC-AC电压变换器中开关管的软开关启动。
但在实际电路中，由于滤波电容的限制，所述调节电流信号Ip并不能完全只包含工作在系统频率的基波，会存在多次谐波，多次谐波在发射线圈会产生损耗。而在本实施例中，第二电感L2和第二电容C2串联谐振，当谐振频率与系统工作频率一致时，其实际相当于一个在系统工作频率点上的陷波器，即是，该串联谐振电路只有在工作频率点上阻抗为零，高于工作频率或低于工作频率的分量均呈现为高阻抗，高频分量或低频分量不能通过该串联谐振电路，这样，所述调节电流信号就只包括在系统工作频率的电流分量，屏蔽了高频分量和低频分量。从而解决背景技术中的高频分量带来的集肤效应损耗大的问题，使得系统传输损耗小，效率高、并且有利于降低系统的电磁干扰。
此外，根据上述计算过程可以知道，在本发明中，由于使得原边发射线圈的电流为恒定频率恒定幅值的交变电流,因此磁共振网络中Ls和Cs的谐振点并不一定要求等于系统工作频率ω0，这样Cs可以简化为大容量的隔直电容。然而在现有技术的共振系统中，一般要求磁共振网络的Ls和Cs的谐振点严格等于或非常接近于系统工作频率，以确保能量的有效传输。这种含电流调制电路的结构对于无线电能传输系统而言，只要预先设定电流调制网络的L和C的谐振频率和系统工作频率一致，那么就不需要根据不同的耦合去做相应的变化，降低了对于系统参数的控制精度要求,总体控制难度和控制成本都将能够降低。
本领域技术人员容易理解,所述电流调制电路中的谐振频率与所述系统工作频率一致时,电流的恒定效果最好,因此传输效率最高。但根据本发明也可推知,在电流调制电路中的谐振频率不完全等于工作频率(存在电感或者电容参数误差)，恒流效果会略有下降，但是并不影响无线充电的高效率。因此通过本发明可以看出，本发明的无线电能传输系统对参数的误差不敏感，非常有利于批量生产。
需要说明的是,在上述实施例中介绍了无线电能传输装置中的电能发射端的一种实现方式,但本领域技术人员可知,能够实现上述功能的所述电能发射端的结构并不限于此,例如，实现谐振频率与系统工作频率一致的谐振电路具有多种实现方式，如申请号为201510011896.8中公开的实施方式均可应用至本发明中，从而使得发射线圈的电流可以恒定频率恒定幅值，并且确保高频电流分量或低频电流分量被屏蔽掉，上述的实施例的电能发射端不限于用于无线电能传输系统中,例如负载阻抗Zd可以为纯阻性或含有感性(容性)感抗，也可以是直接连接在原边线圈的负载,还可以是通过副边线圈耦合，而折射到原边的等效阻抗。
以上对依据本发明的优选实施例的电能发射端及应用其的无线电能传输装置进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于限定本公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电能发射端，用以向与其隔离的电能接收端传输能量，其特征在于，所述电能发射端包括：
电压变换器，接收电能以输出具有预设频率的高频交流电，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的系统工作频率一致，
电流调制电路，接收所述高频交流电，以获得调节电流信号，所述调节电流信号为具有恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号；
电能发射部分，包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述调节电流信号，产生空间磁场以向所述电能接收端传输能量；
其中，所述电流调制电路包括谐振电路和频率调节电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设频率一致；所述频率调节电路控制所述准正弦电流信号中只包含在系统工作频率的电流分量。
2.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，所述谐振电路包括第一电感和第一电容，
所述第一电感和所述频率调节电路串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间，
所述第一电容的第一端与所述电能发射部分第一端连接，第二端接所述电压变换器的负输出端；
其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第一电容的第一端的信号作为所述调节电流信号。
3.根据权利要求2所述的电能发射端，其特征在于，所述频率调节电路包括第二电感和第二电容，
所述第二电感和第二电容串联连接在所述第一电感的一端和第一电容的第一端之间，或者是所述第二电感和第二电容串联连接在所述电压变换器的正输出端和所述第一电感的一端之间，或者是所述第二电感、第一电感和第二电容依次串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间；
所述第二电感和第二电容的谐振频率与所述预设频率一致。
4.一种无线电能传输装置，包括相互隔离的电能发射端和电能接收端，其特征在于，电能发射端包括有电压变换器、电流调制电路和电能发射部分，
所述电压变换器接收电能以输出具有预设频率的高频交流电，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的系统工作频率一致，
所述电流调制电路接收所述高频交流电，以获得调节电流信号，所述调节电流信号为具有恒定频率恒定幅值的准正弦电流信号；
所述电能发射部分包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述调节电流信号，产生空间磁场以向所述电能接收端传输能量；
所述电能接收端包括副边接收线圈，所述副边接收线圈用于接收从电能发射部分传输的能量；
其中,所述电流调制电路包括谐振电路和频率调节电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设频率一致；所述频率调节电路控制所述准正弦电流信号中只包含有在系统工作频率的电流分量。
5.根据权利要求4所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述谐振电路包括第一电感和第一电容，
所述第一电感和所述频率调节电路串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间，
所述第一电容的第一端与所述电能发射部分第一端连接，第二端接所述电压变换器的负输出端；
其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第一电容的第一端的信号作为所述调节电流信号。
6.根据权利要求5所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述频率调节电路包括第二电感和第二电容，
所述第二电感和第二电容串联连接在所述第一电感的一端和第一电容的第一端之间，或者是所述第二电感和第二电容串联连接在所述电压变换器的正输出端和所述第一电感的一端之间，或者是所述第二电感、第一电感和第二电容依次串联连接在所述电压变换器的正输出端和电能发射部分第一端之间；
所述第二电感和第二电容的谐振频率与所述预设频率一致。
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2015
- 2015-12-26 CN CN201510997566.0A patent/CN106921218A/zh active Pending
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