CN108183560A - 一种基于e类逆变器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E类逆变器的无线电能传输系统，包括电感Lf、电容Cf、开关Sf构成高频逆变器，驱动线圈L1耦合发射线圈L2，发射线圈L2耦合接收线圈L3，接收线圈L3耦合负载线圈L4，负载线圈L4连接负载RL，驱动线圈L1与发射线圈L2之间设有短路环LS1，接收线圈L3耦合负载线圈L4之间设有短路环LS2，通过开关S1、开关S2通断。本发明中E类逆变器结构简单成本低；双短路环结构改变无线电能传输系统磁耦合结构的谐振频率，从而实现系统工作频率与电压增益的调整；提高了无线电能传输系统的传输距离调整范围；提高较远距离条件下的传输功率与效率。本申请不需要发射线圈与负载线圈环路的冗余设计，具有更低的成本。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种基于E类逆变器的无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)摆脱了传统接触式电 能传输方式的线缆及传导接口限制，可实现特殊环境下高可靠性和高绝缘 要求的电能传输(例如，人体植入设备、智能药丸、高压线路、水下机器 人等)。该技术具有便捷、可靠、安全、环境适应性强等优点，近年来受 到了学术界与企业界的广泛关注。随着新能源汽车产业的飞速发展，以及 智能手机、物联网设备普及率不断上升，该技术有助于安全性、用户体验 的提升以及各种用电设备的无绳化。因此，WPT技术具有重要的研究价值 与广阔的应用前景。
如图1所示，磁耦合谐振式无线电能传输系统(简称WPT系统)的基本构成包含：工频整流及功 率因数校正、高频逆变器、谐振补偿网络、磁耦合结构、高频整流(及调压)电路。电能的无线传 输通过发射线圈与接收线圈间的磁场耦合来实现。
E类逆变(功放)拓扑由Sokal于1975年提出，其E类逆变器基本电路原理如图2所示。E类 逆变器采用单管低端驱动，有助于简化驱动设计并提高工作频率。根据不同的负载网络设计，逆变 器体现出完全不同的负载特性。当E类逆变器用于无线电能传输系统、高频逆变器等电力电子应用 中，逆变器的负载阻抗特性变得十分复杂。有别于射频微波通信领域中常见的固定阻抗(如50欧)， 在电力电子系统中，要求E类逆变器具有宽负载能力，即在负载阻抗变化时维持开关管的软开关， 进而维持较高的逆变效率。
如图3所示，是一种典型的采用并联电容E类逆变器的无线电能传输系统。其中电感RFC为 足够大的电感，使得其电感电流近似为直流。在理想的负载条件下(即负载电阻RL为设计的额定值 时)，逆变器工作于最佳模式(开关管Q在开通瞬间的电压电流均为零)，从而实现较高的逆变效率。 这种E类逆变器方案最为常见。然而，无论是系统轻载或者谐振参数发生较小偏差，开关管的软开 关即会失效。在实际的电力电子系统中，通常要求逆变器可工作于轻载条件下。因此，图3的方案 并不适用于负载变化的应用场合。
文献(Jungsik,K.and J.Jinho,Range-Adaptive Wireless Power TransferUsing Multiloop and Tunable Matching Techniques.Industrial Electronics,IEEETransactions on,2015.62(10):p.6233-6241.)所提出的具有冗余发射与负载线圈的无线电能传输系统，如 图4所示，可实现在距离变化时通过驱动线圈环路与负载线圈环路进行冗余设计与切换。实现传输 距离调整范围的提高。这种方案实际上是在传统四线圈结构无线电能传输系统的基础上进行冗余设 计。
综上所述，现有的采用并联电容E类逆变器的无线电能传输系统不适用于常见的变负载运行需 求。现有的采用并联电路E类逆变器的无线电能传输系统的设计方案只是将独立的E类逆变器与 无线电能传输系统的磁耦合结构进行简单的结合，没有对两者进行深度的结合。因此系统工作频率 受限于E类逆变器的工作频率。由于无线电能传输系统的传输距离变化使得无线电能传输系统的电 压/电流增益波动很大，单频工作限制了无线电能传输系统的传输距离。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于E类逆变器的无线电能传输系统。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于E类逆变器的无线电能传输系统，包括 电感Lf、电容Cf、开关Sf构成高频逆变器，高频逆变器连接直流电源、驱动线圈L1，驱动线圈L1耦合发射线圈L2，发射线圈L2耦合接收线圈L3，接收线圈L3耦合负载线圈L4，负载线圈L4连接 负载RL，所述驱动线圈L1、发射线圈L2、接收线圈L3、负载线圈L4分别连接用于谐振补偿的补偿 电容C1、补偿电容C2、补偿电容C3、补偿电容C4；所述驱动线圈L1与发射线圈L2之间设有短路 环LS1，接收线圈L3耦合负载线圈L4之间设有短路环LS2，所述短路环LS1、短路环LS2分别通过 开关S1、开关S2通断；所述短路环LS1与驱动线圈L1的耦合系数k1S1、短路环LS1与发射线圈L2的耦合系数k2S1、短路环LS2与接收线圈L3的耦合系数k3S2、短路环LS2与负载线圈L4的耦合系 数k4S2均相同。
所述电感Lf与电容Cf、直流电源串联连接，所述开关Sf并联在电容Cf两端，所述驱动线圈L1、 补偿电容C1构成的串联电路，并联在电容Cf两端。
所述开关Sf为半导体开关管。
本发明的有益效果是：
本发明E类逆变器不带有输出端谐振电感与谐振电容，节省了逆变器成本；引入了双短路环结 构改变无线电能传输系统磁耦合结构的谐振频率，从而实现系统工作频率与电压增益的调整；提高 了无线电能传输系统的传输距离调整范围；提高较远距离条件下的传输功率与效率。本申请不需要 发射线圈与负载线圈环路的冗余设计，具有更低的成本。
附图说明
图1为磁耦合谐振式无线电能传输系统；
图2为E类逆变器基本电路原理；
图3为采用并联电容E类逆变器的无线电能传输系统；
图4为具有冗余发射与负载线圈的无线电能传输系统；
图5为本发明电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图5所示，一种基于E类逆变器的无线电能传输系统，包括电感Lf、电容Cf、开关Sf构成 高频逆变器，高频逆变器连接直流电源、驱动线圈L1。在高频逆变器中，所述电感Lf与电容Cf、 直流电源串联连接，所述开关Sf并联在电容Cf两端，所述驱动线圈L1、补偿电容C1构成的串联电 路，并联在电容Cf两端。通过开关Sf周期性开关，将直流源转换为高频交流源。
驱动线圈L1耦合发射线圈L2，发射线圈L2耦合接收线圈L3，接收线圈L3耦合负载线圈L4， 负载线圈L4连接负载RL，所述驱动线圈L1、发射线圈L2、接收线圈L3、负载线圈L4分别连接补 偿电容C1、补偿电容C2、补偿电容C3、补偿电容C4。补偿电容C1、补偿电容C2、补偿电容C3、 补偿电容C4用于对各传输环节进行谐振补偿，从而实现传输效率和距离的提升。
所述驱动线圈L1与发射线圈L2之间设有短路环LS1，接收线圈L3耦合负载线圈L4之间设有短 路环LS2，所述短路环LS1、短路环LS2分别通过开关S1、开关S2通断；根据传输距离的不同，开 关S1与开关S2选择性地进行开断，从而使得传输距离在较大范围内调整时维持电压增益的稳定。
短路环与传统的中继线圈不同，本发明的短路环LS1、短路环LS2为单纯的导电环，不具有补 偿电容。根据设计实例的不同，可设置多对短路环对。随着传输距离的变化，发射线圈L2、接收线 圈L3的耦合系数k23随之改变。通过短路环LS1、短路环LS2的开关，可以等效地调整驱动线圈L1耦合发射线圈L2的耦合系数k12与接收线圈L3耦合负载线圈L4的耦合系数k34的值，从而有效地 调整无线电能传输系统的电压增益。尤其是当传输较远时，提高电压增益值，实现传输距离的提高。
所述短路环LS1与驱动线圈L1的耦合系数k1S1、短路环LS1与发射线圈L2的耦合系数k2S1、短路环 LS2与接收线圈L3的耦合系数k3S2、短路环LS2与负载线圈L4的耦合系数k4S2均相同，即 k1S1＝k2S1＝k3S2＝k4S2＝kS。
当短路环节闭合时，等效k12eq与k34eq可分别表示为：
当开关S1与开关S2断开时，系统工作于较低频率，适合于传输距离较近的情况，并提高系统 传输效率。当开关S1与开关S2闭合式，系统工作频率较高，适合于传输距离较远的情况，并提高 系统的传输功率。
当S1与S2断开时,其工作频率为fsoff。
当S1与S2闭合时，其工作频率变为fson。
本发明的电感Lf与电容Cf的谐振频率，即为开关S1、开关S2断开时工作频率fsoff的 1.25至1.35倍。该电感Lf与电容Cf参数设计不同于传统的E类逆变器设计。
所述开关Sf为半导体开关管。
本发明的无线电能传输系统具体试验如下，采用驱动线圈L1、发射线圈L2、接收线圈L3、负 载线圈L4半径均为100mm，发射线圈L2、接收线圈L3的距离为50mm至200mm，具体元件 参数详见表1。利用开路电压法测试k23在50mm、100mm、150mm、200mm距离下的值分 别为0.21、0.094、0.046、0.026。k23变化接近10倍，传统设计方案难以根据固定工作点进 行优化设计以实现传输性能的最佳化。
表1试验中各元件参数
传输距离小于100mm时，短路环LS1、短路环LS2断开，工作频率为1MHz，输出功率与效 率均能维持较高水平，其效率峰值约为86％。
传输距离大于150mm时，系统输出功率能力有所下降，出功率低于20W，效率低于46％。 当短路环LS1、短路环LS2闭合时，工作频率为1.07MHz，输出功率可达到50W，效率约为60％， 输出功率与效率仍然可以维持在一定水平。
试验结果说明，相比于传统的设计方案，本发明的技术方案极大的提高了无线电能传输系统的 传输距离调节范围，提高了较远距离条件下的传输功率与效率。
所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。
Claims (3)
1.一种基于E类逆变器的无线电能传输系统，其特征在于，包括电感Lf、电容Cf、开关Sf构成高频逆变器，高频逆变器连接直流电源、驱动线圈L1，驱动线圈L1耦合发射线圈L2，发射线圈L2耦合接收线圈L3，接收线圈L3耦合负载线圈L4，负载线圈L4连接负载RL，所述驱动线圈L1、发射线圈L2、接收线圈L3、负载线圈L4分别连接用于谐振补偿的补偿电容C1、补偿电容C2、补偿电容C3、补偿电容C4；所述驱动线圈L1与发射线圈L2之间设有短路环LS1，接收线圈L3耦合负载线圈L4之间设有短路环LS2，所述短路环LS1、短路环LS2分别通过开关S1、开关S2通断；所述短路环LS1与驱动线圈L1的耦合系数k1S1、短路环LS1与发射线圈L2的耦合系数k2S1、短路环LS2与接收线圈L3的耦合系数k3S2、短路环LS2与负载线圈L4的耦合系数k4S2均相同。
2.根据权利要求1所述的基于E类逆变器的无线电能传输系统，其特征在于，所述电感Lf与电容Cf、直流电源串联连接，所述开关Sf并联在电容Cf两端，所述驱动线圈L1、补偿电容C1构成的串联电路，并联在电容Cf两端。
3.根据权利要求1或2任一所述的基于E类逆变器的无线电能传输系统，其特征在于，所述开关Sf为半导体开关管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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