CN107681791A - 一种半桥谐振无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

一种半桥谐振无线能量传输系统，涉及无线能量传输。半桥谐振无线能量传输系统设有直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路。控制方法包括以下步骤：实现输出功率的调节；实现系统谐振状态的维持。通过电感耦合的方式进行电能的无线传输，通过在半桥逆变电路前级增加BUCK电路，实现不同功率条件下系统的谐振状态维持，实现高效率的电能传输。

Description

一种半桥谐振无线能量传输系统

技术领域

本发明涉及无线能量传输，尤其是涉及一种半桥谐振无线能量传输系统。

背景技术

无线能量传输是一种将电能以非物理连接的方式传输至相应设备的技术。主要有4种基本方式：一是松耦合变压器模型的电磁感应耦合方式；二是磁共振方式；三是基于激光、微波辐射方式；四是电场耦合方式。其中电磁感应耦合方式的无线电能传输是将能量发射端视为变压器初级，能量接收端视为变压器的次级，利用磁耦合方式进行能量无线传递，适用于近距离(厘米级)传输，该技术已进入实用化阶段。

基于松耦合变压器模型电感耦合方式目前主要面临的困难在于：

1、由于能量发射端发射线圈与接收端接收线圈之间互感较小存在较大无功，需要进行无功补偿，使系统保持谐振状态，从而进行高效传输。当第一谐振器与第二谐振器发生相同频率谐振时，系统传输效率最大。能量发射端与接收端谐振状态的维持会随传输环境、负载改变、传输距离的偏差导致时变不可控范围，破坏了能量通道的建立，导致了能量传输能力的下降。

2、不同功率同一谐振参数情况下的谐振状态的维持。对于全桥、半桥谐振变换器，当系统谐振时，此时输出功率达到最大且不可调节。

中国专利CN 201410369363.2公开一种脉冲宽度调制控制的电感可调技术，实现系统的谐振频率追踪，保证能量传输的效率。中国专利CN201310196231.X公开一种利用可调有源晶振，通过接收用高频介调谐电容调节接收系统的调谐频率使系统共振。

本发明从保证无线能量传输系统谐振状态以实现高效传输角度出发提出相应控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种半桥谐振无线能量传输系统。

本发明的另一目的在于提供一种半桥谐振无线能量传输控制方法。

所述半桥谐振无线能量传输系统设有直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路；

所述BUCK电路设有功率控制开关S、续流二极管D、功率控制电感L和滤波电容C₀；

所述半桥逆变电路设有第1电容C₁、第2电容C₂、第1开关管S₁、第2开关管S₂、第1二极管D₁和第2二极管D₂；

所述第一谐振器包括第1电容C₁、第2电容C₂和谐振器能量发射线圈L₁；

所述第二谐振器包括谐振器能量接收线圈L₂和谐振电容C₃；

所述辅助电路设有能量发射端无线交互单元、能量接收端无线交互单元、第一电流电压检测电路、第二电流电压检测电路、单片机信息处理电路、逆变控制器、功率控制电路；

所述直流电源输出端接至BUCK电路，所述BUCK电路利用斩波将直流电源输出直流恒定电压转化为可调直流电压U_in；所述可调直流电压U_in作为母线电源连接到半桥逆变电路；所述半桥逆变电路将U_in逆变为高频交流电压作为激励源连接至第一谐振器；所述第一谐振器，通过谐振器能量发射线圈L₁实现高频电能至高频磁场能的转化，将电能以磁场能的方式发送至接收端第二谐振器；第二谐振器通过谐振器能量接收线圈L₂感应耦合高频磁场获取磁场能，与谐振电容C₃发生谐振；第二谐振器谐振产生正弦电压信号，接至阻性负载R_L，为负载R_L提供电能；所述第一电流电压检测电路采样所述谐振器能量发射线圈L₁的电流和第2电容C₂的电压，输出端与所述单片机信号处理电路相连；所述第二电流电压检测电路采样所述谐振器能量接收线圈L₂的电流和谐振电容C₃的电压，输出端与能量接收端无线交互单元相连，将采样的电流和电压信息已无线的方式传送至能量发射端无线交互单元；所述单片机信号处理电路与逆变控制器、能量发射端无线交互单元相连；所述单片机处理单元通过分析能量发射端和能量接收端的电流和电压信号，利用功率控制单元进行输入输出功率的调节。

所述半桥谐振无线电能传输控制方法包括以下步骤：

1)实现输出功率的调节；

在步骤1)中，所述实现输出功率的调节的具体方法可为：单片机信息处理电路通过能量发射端无线交互单元与能量接收端无线交互单元通信请求并接收能量接收端当前功率、目标功率、当前有功功率、当前无功功率数据，利用功率控制器驱动BUCK电路实现U_in大小的变化，实现功率的调节，对功率大小的调节依据公式：

其中，P为输入功率，U_in为BUCK电路输出的可调直流电压、ω为第一谐振器的角频率、M为谐振器能量发射线圈L₁与谐振器能量接收线圈L₂之间的互感，R_L为系统负载。

2)实现系统谐振状态的维持。

在步骤2)中，所述实现系统谐振状态的维持的具体流程为：

(1)第一电流电压检测电路实时监测采样第一谐振器中谐振器能量发射线圈L₁与第2电容C₂电流和电压相位、幅值信息；

(2)单片机信号处理电路根据谐振器能量发射线圈L₁与第2电容C₂电流和电压相位、幅值信息求得第一谐振器的固有频率及第1开关管S₁与第2开关管S₂开关时序；

(3)单片机信号处理电路通过逆变控制电路调整半桥逆变电路的逆变频率和第1开关管S₁与第2开关管S₂开关时序；

(4)第一电流电压检测电路采样第一谐振器中谐振器能量发射线圈L₁与第2电容C₂电流和电压相位、幅值信息，求得第一谐振器的固有频率；

(5)比较当前逆变频率与第一谐振器的固有谐振频率是否匹配，匹配则进入所述谐振状态维持流程(4)，不匹配进入所述谐振状态维持流程(3)。

通过上述具体流程即可保证系统处于谐振状态。

本发明通过电感耦合的方式进行电能的无线传输，通过在半桥逆变电路前级增加BUCK电路，实现不同功率条件下系统的谐振状态维持，实现高效率的电能传输。

附图说明

图1是本发明实施例的原理图。

图2是本发明提出半桥谐振无线电能传输半桥逆变电路上半周期工作示意图。

图3是本发明提出半桥谐振无线电能传输半桥逆变电路下半周期工作示意图。

图4是本发明提出半桥谐振无线电能传输半桥逆变电路上半周期第1电容回路的等效电路图。

图5是本发明提出半桥谐振无线电能传输半桥逆变电路上半周期第2电容回路的等效电路图。

图6是本发明提出半桥谐振无线电能传输半桥逆变电路下半周期第1电容回路的等效电路图。

图7是本发明提出半桥谐振无线电能传输半桥逆变电路下半周期第2电容回路的等效电路图。

图8是针对本发明提出装置进行传输功率控制步骤流程图。

图9是针对本发明提出装置进行传输谐振状态控制步骤流程图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实施例包括：直流电源1、BUCK电路2、半桥逆变电路3、第一谐振器4、第二谐振器5和辅助电路6。

所述直流电源1输出端接至由BUCK电路2，所述BUCK电路2斩波所得可调直流电压U_in作为母线电源连接到半桥逆变电路3；所述半桥逆变电路3连接至第一谐振器4；第二谐振器5感应第一谐振器4磁场能，把磁场能转化为电能作为电源为负载R_L供电；

直流电源1部分可为但不限于314V直流电源，提供电能的输入。BUCK电路2的工作过程主要为：

1)当功率控制开关管S闭合时直流电源1对功率控制电感L和滤波电容C充电；

2)当功率控制开关管S断开时，功率控制电感L能量向滤波电容C转移。

通过控制功率控制开关管S导通与关断的占空比D_y可改变滤波电容C两端电压可调直流电压U_in的大小，为稳定电源质量作为优选BUCK电路工作于15kHZ中频范围。理想条件下BUCK电路2输出可调直流电压U_in遵循以下公式：

U_in＝D_y*314V

半桥逆变电路3与BUCK电路2的输出相连接，第1电容C₁与第2电容C₂为无差别电容即容值、频率响应等参数相同，因此第1电容C₁与第2电容C₂连接点电压为可调直流电压U_in的一半，直流等效为第1开关管S₁与第2开关管S₂串联后与接至BUCK电路2的输出滤波电容C的两端，开关管S₁、S₂交替导通将整流电路所得可调直流电压U_in逆变为高频交流。半桥逆变电路3在一个周期T内的工作过程为，如图2和3：

1)第1开关管S₁导通第2开关管S₂关断，时间为t₁。此时电流可调直流电压U_in正极通过第1开关管S₁和第1电容C₁流向谐振器能量发射线圈L₁为其充电，再经第2电容C₂返回可调直流电压U_in负极。第1电容C₁和第2电容C₂作为半桥逆变电路3一部分，提供同时作为第一谐振器4的一部分参与谐振，等效电容容值大小为C₁+C₂；

2)第1开关管S₁关断第2开关管S₂关断，时间为t₂，记为死区时间，为us级。第1二极管D₁续流导通；为下一工作过程提供软开关条件，系统谐振时此过程可忽略；

3)第1开关管S₁关断第2开关管S₂导通，时间为t₃。此时电流可调直流电压U_in正极通过第1电容C₁流向谐振器能量发射线圈L₁为其充电，再经第2开关管S₂和第2电容C₂返回可调直流电压U_in负极；

4)开关管S₁关断开关管S₂关断，时间为t₄，记为死区时间，为us级。第2二极管D₂续流导通，同时为下一个周期工作过程1)中第1开关管S₁的零电压导通提供条件，系统谐振时此过程可忽略。

上述具体实施方式已就半桥谐振无线电能传输系统各部分组成及工作过程进行阐述，接下来主要针对系统控制方法：实现谐振状态下功率控制具体工作过程实施方式进行阐述。

1)功率控制

当电路稳定工作后，对半桥逆变电路3、第一谐振器4、第二谐振器5和负载R_L做等效分析，如图4～7，经过简化可得在一个周期内，其输入功率为：

其中，P为输入功率，为半桥逆变电路3输入电压，ω为半桥逆变电路3逆变的角频率，C₁、C₂、C₃分别为第1电容C₁、第2电容C₂和谐振电容C₃的容值，M为谐振器能量发射线圈L₁与谐振器能量接收线圈L₂之间的互感，R_L为系统负载。

对半桥逆变电路3输入电压傅里叶展开：

系统模型由于开关管、二极管等非线性元器件存在具有较多非线性量，为简化取其基波：

则输入功率可表示为：

其中X₁、X₁分别为第一谐振器4和第二谐振器5的等效阻抗。

本发明对功率的控制实现方式为通过控制可调直流电压U_in的大小从而调节功率P，具体工作流程如图8。作为优选，系统刚开始工作时先选定固定频率的PWM，通过增加占空比使可调直流电压U_in增大，减小占空比使可调直流电压U_in减小，从而调节功率P大小；

2)谐振状态的维持

谐振器的固有谐振频率，易受温度、湿度等环境因数的影响而变化，因此需实时监测第一谐振器4的固有谐振频率。实时保证半桥逆变电路3的逆变频率与第一谐振器4的固有谐振频率一致时，系统即可维持谐振状态，具体流程如图9所示：

系统谐振时遵循以下公式：

T为半桥逆变电路3的工作周期，T＝t₁+t₂+t₃+t₄，其中t₁＝t₃，t₂＝t₄，t₂＜＜t₁确定t₁即可确定T。

为确定时间t₁具体实施方式如下：

谐振器能量发射线圈L₁和第1电容C₁、第2电容C₂谐振时，第一电流电压检测电路将谐振器能量发射线圈L₁和第1电容C₁、第2电容C₂电流和电压相位差发送至单片机信息处理电路，单片机信息处理电路根据电流和电压相位差信息与第一谐振器4固有频率的关系求得t₁。

系统处于谐振状态时输入功率可表示为：

通过上述两个步骤即可实现，保证系统谐振条件下的功率调节。

Claims (4)

1.一种半桥谐振无线能量传输系统，其特征在于设有直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路；

所述BUCK电路设有功率控制开关S、续流二极管D、功率控制电感L和滤波电容C₀；

所述半桥逆变电路设有第1电容C₁、第2电容C₂、第1开关管S₁、第2开关管S₂、第1二极管D₁和第2二极管D₂；

所述第一谐振器包括第1电容C₁、第2电容C₂和谐振器能量发射线圈L₁；

所述第二谐振器包括谐振器能量接收线圈L₂和谐振电容C₃；

所述辅助电路设有能量发射端无线交互单元、能量接收端无线交互单元、第一电流电压检测电路、第二电流电压检测电路、单片机信息处理电路、逆变控制器、功率控制电路；

所述直流电源输出端接至BUCK电路，所述BUCK电路利用斩波将直流电源输出直流恒定电压转化为可调直流电压U_in；所述可调直流电压U_in作为母线电源连接到半桥逆变电路；所述半桥逆变电路将U_in逆变为高频交流电压作为激励源连接至第一谐振器；所述第一谐振器，通过谐振器能量发射线圈L₁实现高频电能至高频磁场能的转化，将电能以磁场能的方式发送至接收端第二谐振器；第二谐振器通过谐振器能量接收线圈L₂感应耦合高频磁场获取磁场能，与谐振电容C₃发生谐振；第二谐振器谐振产生正弦电压信号，接至阻性负载R_L，为负载R_L提供电能；所述第一电流电压检测电路采样所述谐振器能量发射线圈L₁的电流和第2电容C₂的电压，输出端与所述单片机信号处理电路相连；所述第二电流电压检测电路采样所述谐振器能量接收线圈L₂的电流和谐振电容C₃的电压，输出端与能量接收端无线交互单元相连，将采样的电流和电压信息已无线的方式传送至能量发射端无线交互单元；所述单片机信号处理电路与逆变控制器、能量发射端无线交互单元相连；所述单片机处理单元通过分析能量发射端和能量接收端的电流和电压信号，利用功率控制单元进行输入输出功率的调节。

2.一种半桥谐振无线电能传输控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)实现输出功率的调节；

2)实现系统谐振状态的维持。

3.如权利要求2所述一种半桥谐振无线电能传输控制方法，其特征在于在步骤1)中，所述实现输出功率的调节的具体方法为：单片机信息处理电路通过能量发射端无线交互单元与能量接收端无线交互单元通信请求并接收能量接收端当前功率、目标功率、当前有功功率、当前无功功率数据，利用功率控制器驱动BUCK电路实现U_in大小的变化，实现功率的调节，对功率大小的调节依据公式：

<mrow> <mi>P</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> </mfrac> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msub> <mi>R</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>M</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，P为输入功率，U_in为BUCK电路输出的可调直流电压、ω为第一谐振器的角频率、M为谐振器能量发射线圈L₁与谐振器能量接收线圈L₂之间的互感，R_L为系统负载。

4.如权利要求2所述一种半桥谐振无线电能传输控制方法，其特征在于在步骤2)中，所述实现系统谐振状态的维持的具体流程为：

(1)第一电流电压检测电路实时监测采样第一谐振器中谐振器能量发射线圈L₁与第2电容C₂电流和电压相位、幅值信息；

(2)单片机信号处理电路根据谐振器能量发射线圈L₁与第2电容C₂电流和电压相位、幅值信息求得第一谐振器的固有频率及第1开关管S₁与第2开关管S₂开关时序；

(3)单片机信号处理电路通过逆变控制电路调整半桥逆变电路的逆变频率和第1开关管S₁与第2开关管S₂开关时序；

(4)第一电流电压检测电路采样第一谐振器中谐振器能量发射线圈L₁与第2电容C₂电流和电压相位、幅值信息，求得第一谐振器的固有频率；

(5)比较当前逆变频率与第一谐振器的固有谐振频率是否匹配，匹配则进入所述谐振状态维持流程(4)，不匹配进入所述谐振状态维持流程(3)。