CN107591900A - 基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统，包括：原边侧整流滤波单元、原边侧高频逆变器、原边侧DC/DC单元、原边侧线性拓扑结构、原边侧发射线圈、副边侧接收线圈、副边侧非线性拓扑结构、副边侧整流滤波单元等；所述副边侧非线性拓扑结构中包含至少一个工作于非线性区的非线性电感L2；所述非线性区是指非线性电感L2的磁芯交替工作于BH特性曲线的线性区和饱和区，且最大的磁性工作点位于Br‑Bm之间。本发明利用非线性器件在饱和区附近磁导率的变化，可以自动稳压、稳流、扩频，且不需要主动控制器件的参与，系统可靠性高，成本较低；可以自动改变谐振频率，维持较宽频带的无线电能传输的效率，提升其传输距离。
Description
技术领域
本发明属于电气工程领域的无线电能传输技术，具体涉及磁场耦合型无线电能传输装置(Magnet ic-field coupled power transmiss ion)，是一种利用非线性电感材料的饱和特性来改进传统无线电能传输系统的新型拓扑结构，实现无源稳压、稳流及提高系统传输距离和传输稳定性的方法。
背景技术
近年来，无线电能传输技术取得飞速发展。其中，磁场耦合无线电能传输技术以其传输功率大、效率高、安全性好等优势，有望在电动汽车、工业机器人、手机充电等领域得到广泛的商业应用。
近距离(毫米级)的无线电能传输技术已经有几十年的发展历史，在电动牙刷等需要防水充电的领域得到应用。这种无线电能传输技术的基本物理学原理是法拉第电磁感应定律，其主要缺点是无线电力传输距离非常短，通常只有几个豪米，无法满足现在的社会需求。
拓扑结构是无线电能传输系统的重要组成部分。近年来，为了提高无线输电传输的性能，研究者尝试引入了各种补偿拓扑结构，以克服无线电能传输系统的低耦合系数、高漏感特性，从而增加无线电能传输系统的传输距离，并提升传输效率。以电动汽车无线电能传输为例，汽车底盘距离底面的距离一般是15cm。为了满足电动汽车无线电能传输的应用要求，需要使用基于电感和电容的谐振拓扑结构来加强空间磁感应强度，并且改善高频逆变器的负载阻抗特性。其中，最基本的是由电感L与电容C构成的简单串联或并联谐振及其各种组合。
然而，基本的拓扑结构在性能上存在各种各样的缺点。研究者们提出了更多的改进拓扑：例如LCC拓扑结构、LLC拓扑结构等等。最新的科技文献甚至把各种可能的组合进行了系统分析，以获得恒流输出、恒压输出等期望的性能，并将其应用于电动汽车的无线电能传输。这些研究既有高水平学术论文的理论分析，也有实际应用的工程方法。例如：发表于本领域顶级期刊的文章《Compensat ion Topologies of High-Power Wireless PowerTransfer Systems》(IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY,VOL.65,NO.6,JUNE2016)(《高功率无线电能传输系统的拓扑研究》)，以及中国发明专利文献(公开号CN103560593 A)所公开的《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》等。因此，新型拓扑结构的改进对于无线电能传输系统的性能提升和商业应用具有重要作用。
虽然全世界的研究人员均致力于改进和发明新型拓扑结构，但是其思路一直局限于线性电感和线性电容，以及它们之间的线性组合。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用磁性材料的非线性特征的新型拓扑结构，从而改善传统线性拓扑的性能局限，提高无线电能传输系统的性能。
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统，包括原边侧和副边侧，所述原边侧包括顺序电连接的原边侧交流电源、原边侧整流滤波单元、原边侧DC/DC单元、原边侧高频逆变器、原边侧线性拓扑结构和原边侧发射线圈；所述副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧非线性拓扑结构、副边侧整流滤波单元、副边侧DC/DC单元和负载；所述的副边侧接收线圈通过互感M接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；
所述副边侧非线性拓扑结构中包含至少一个工作于非线性区的非线性电感L2；所述非线性区是指非线性电感L2的磁芯交替工作于BH特性曲线的线性区和饱和区，且最大的磁性工作点位于Br-Bm之间，其中，Br为剩余磁通密度，Bm为最大磁通密度。
优选地，所述的副边侧非线性拓扑结构采用了如下电路结构：包括一个高频电容C2和一个非线性电感L2，高频电容C2和非线性电感L2并联，并与副边侧接收线圈的和副边侧整流滤波单元并联连接。
优选地，所述的副边侧非线性拓扑结构采用了如下电路结构：包括一个高频电容C2和一个非线性电感L2，高频电容C2和非线性电感L2串联后与副边侧接收线圈串联连接，非线性电感L2与整流滤波单元并联连接。
优选地，所述的副边侧非线性拓扑结构采用了如下电路结构：包括一个高频电容C2、一个非线性电感L2和一个电容C3，高频电容C2和非线性电感L2并联后与副边侧整流滤波单元并联连接，然后通过电容C3与副边侧接收线圈串联连接。
优选地，所述的非线性电感L2的元器件材料为可饱和软磁材料。
优选地，所述的可饱和软磁材料为铁氧体、非晶合金中的一种或者两种的组合。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
1、可以实现副边侧无源稳压和稳流，即可以替代副边侧DC/DC的稳压和稳流环节，提高系统性能，简化系统结构。
2、本拓扑结构的稳压、稳流具有高可靠性，不存在晶体管、MOS管等易损器件，可以进一步提升无线电能传输系统副边的工作电压，从而降低工作电流，减少欧姆损耗。
3、本拓扑的谐振特性不受传统LC谐振特性的限制，可以在较宽频带内进行谐振，避免了由于工作温度及元器件误差造成的系统性能下降。特别适合电动汽车、高铁等需要在恶劣环境下使用的无线电能传输应用。
4、本系统的高稳定性源自非线性器件的自适应特性，无需主动有源器件进行控制干预，大大提高了系统响应速度，特别适用于电动汽车、高铁等需要高速移动无线电能传输的设备。
5、非线性拓扑谐振点具有负阻效应，具有两个跳变的稳定工作点。在合适条件下，负阻效应可以抵消系统损耗，从理论上提高系统品质因数Q及线圈ESR损耗，改善系统幅频特性的矩形比，从而使传输距离更远，效率更高。
综上所述，利用非线性拓扑结构，可以从理论上突破线性拓扑补偿网络的性能局限，而且结构简单，性能可靠，易于商业应用。解决了现有无线电能传输技术的理论和设计局限，是本领域的重要技术和方法创新。
附图说明
图1是本发明的系统总体框图。
图2是实施例1副边侧非线性拓扑结构图。
图3是实施例2副边侧非线性拓扑结构图。
图4是实施例3副边侧非线性拓扑结构图。
图5是实施例1结构图。
图6是实施例2结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例仅是本发明实施例的一部分，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其它实施例，都属于本专利的保护范围。
图1是本发明的系统总体框图。由图1可以看出，本发明提出的一种基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统，包括原边侧100和副边侧200，所述原边侧100包括顺序电连接的原边侧交流电源160、原边侧整流滤波单元110、原边侧DC/DC单元120、原边侧高频逆变器130、原边侧线性拓扑结构140和原边侧发射线圈150；所述副边侧200包括顺序电连接的副边侧接收线圈250、副边侧非线性拓扑结构210、副边侧整流滤波单元220、副边侧DC/DC单元230和负载240；所述的副边侧接收线圈250通过互感M接收原边侧发射线圈150所发射的电磁场，并将其转化为电能。
所述副边侧非线性拓扑结构210中包含至少一个工作于非线性区的非线性电感L2；所述非线性区是指非线性电感L的磁芯交替工作于BH特性曲线(即磁化曲线magnetizat ion curve)的线性区和饱和区，且最大的磁性工作点位于Br-Bm之间，其中，Br为剩余磁通密度，Bm为最大磁通密度。
在本发明的实施例中，所述的非线性电感L2的元器件材料为可饱和软磁材料，可饱和软磁材料为铁氧体、非晶合金中的一种或者两种的组合。
在本发明的实施例中，副边侧非线性拓扑结构210包括如下三种电路结构：
第一种，由一个高频电容C2和一个非线性电感L2组成，高频电容C2和非线性电感L2并联，并与副边侧接收线圈250和副边侧整流滤波单元220并联连接。具体结构参见图2。
第二种：由一个高频电容C2和一个非线性电感L2组成，高频电容C2和非线性电感L2串联后与副边侧接收线圈250串联连接，非线性电感L2与整流滤波单元220并联连接。具体结构参见图3。
第三种，由一个高频电容C2、一个非线性电感L2和一个电容C3组成，高频电容C2和非线性电感L2并联后与副边侧整流滤波单元并联连接，然后通过电容C3与副边侧接收线圈250串联连接。具体结构参见图4。
在本发明的实施例中，原边线性拓扑结构140包括如下两种电路结构：
第一种，串联谐振拓扑结构，由一个电感L1和一个电容C1串联组成。具体结构参见图5。
第二种，并联谐振拓扑结构，由一个电感L1和一个电容C1并联组成，具体结构参见图6。
本发明的实施例提供了一种基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统。可以解决现有技术存在的最佳谐振频点过窄、元件器工作电压受限、闭环控制响应过慢等问题。
图5为实施本发明的一种电路方案。在图5的电路中，UDC为原边侧DC/DC单元120输出的直流电压，Q1-Q4为全桥驱动的原边侧高频逆变器130，原边侧线性拓扑结构140为传统的并联谐振拓扑结构，即由一个电容C1和一个电感L1并联组成。同时，电感L1也是原边侧能量发射线圈150，磁场能量通过互感M传递到副边侧接收线圈250，即图5中的LS。副边侧非线性拓扑结构210为并联拓扑结构，即由一个高频电容C2和一个非线性电感L2并联构成，并与副边侧接收线圈250和副边侧整流滤波单元220并联连接。图5中CL流是常规滤波电容，RL代表负载。
图6为实施本发明的另外一种电路方案。其中，原边侧线性拓扑结构140为串联谐振拓扑结构，即由一个电容C1和一个电感L1串联组成。同时，电感L1也是原边侧能量发射线圈150，磁场能量通过互感M传递到副边侧接收线圈250，即图6中的LS。副边侧非线性拓扑结构210为串联谐振拓扑，即由一个高频电容C2和一个非线性电感L2串联构成。图6中CL是常规滤波电容，RL代表负载。
Claims (6)
1.一种基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统，包括原边侧(100)和副边侧(200)，所述原边侧(100)包括顺序电连接的原边侧交流电源(160)、原边侧整流滤波单元(110)、原边侧DC/DC单元(120)、原边侧高频逆变器(130)、原边侧线性拓扑结构(140)和原边侧发射线圈(150)；所述副边侧(200)包括顺序电连接的副边侧接收线圈(250)、副边侧非线性拓扑结构(210)、副边侧整流滤波单元(220)、副边侧DC/DC单元(230)和负载(240)；所述的副边侧接收线圈(250)通过互感M接收原边侧发射线圈(150)所发射的电磁场，并将其转化为电能，其特征在于：
所述副边侧非线性拓扑结构(210)中包含至少一个工作于非线性区的非线性电感L2；所述非线性区是指非线性电感L2的磁芯交替工作于BH特性曲线的线性区和饱和区，且最大的磁性工作点位于Br-Bm之间，其中，Br为剩余磁通密度，Bm为最大磁通密度。
2.根据权利要求1所述的一种非线性拓扑结构无线电能传输系统，其特征在于，所述的副边侧非线性拓扑结构(210)采用了如下电路结构：包括一个高频电容C2和一个非线性电感L2，高频电容C2和非线性电感L2并联，并与副边侧接收线圈(250)的和副边侧整流滤波单元(220)并联连接。
3.根据权利要求1所述的一种非线性拓扑结构无线电能传输系统，其特征在于，所述的副边侧非线性拓扑结构(210)采用了如下电路结构：包括一个高频电容C2和一个非线性电感L2，高频电容C2和非线性电感L2串联后与副边侧接收线圈(250)串联连接，非线性电感L2与整流滤波单元(220)并联连接。
4.根据权利要求1所述的一种非线性拓扑结构无线电能传输系统，其特征在于，所述的副边侧非线性拓扑结构(210)采用了如下电路结构：包括一个高频电容C2、一个非线性电感L2和一个电容C3，高频电容C2和非线性电感L2并联后与副边侧整流滤波单元(220)并联连接，然后通过电容C3与副边侧接收线圈(200)串联连接。
5.根据权利要求1所述的一种非线性拓扑结构无线电能传输系统，其特征在于，所述的非线性电感L2的元器件材料为可饱和软磁材料。
6.根据权利要求5所述的一种非线性拓扑结构无线电能传输系统，其特征在于，所述的可饱和软磁材料为铁氧体、非晶合金中的一种或者两种的组合。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111628579A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-09-04 | 大连理工大学 | 利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11168843A (ja) * | 1997-12-02 | 1999-06-22 | Hitachi Kiden Kogyo Ltd | 非接触給電方法 |
| CN102422507A (zh) * | 2009-05-14 | 2012-04-18 | 日产自动车株式会社 | 非接触馈电装置 |
| CN103312051A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-09-18 | 华南理工大学 | 一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法 |
| US20160336810A1 (en) * | 2015-05-12 | 2016-11-17 | The Regents Of The University Of Michigan | Nonlinear Resonance Circuit For Wireless Power Transmission And Wireless Power Harvesting |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11168843A (ja) * | 1997-12-02 | 1999-06-22 | Hitachi Kiden Kogyo Ltd | 非接触給電方法 |
| CN102422507A (zh) * | 2009-05-14 | 2012-04-18 | 日产自动车株式会社 | 非接触馈电装置 |
| CN103312051A (zh) * | 2013-06-28 | 2013-09-18 | 华南理工大学 | 一种利用铁磁谐振实现无线电能传输的系统及方法 |
| US20160336810A1 (en) * | 2015-05-12 | 2016-11-17 | The Regents Of The University Of Michigan | Nonlinear Resonance Circuit For Wireless Power Transmission And Wireless Power Harvesting |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111628579A (zh) * | 2020-05-09 | 2020-09-04 | 大连理工大学 | 利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统 |
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