CN108199494A - 一种增益可调的有源负载无线充电装置及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种增益可调的有源负载无线充电装置及其调节方法。该无线充电装置包括发射组件和接收组件，发射组件与接收组件连接；发射组件包括直流电源，与直流电源依次连接的全桥逆变模块、参数可调型LCL补偿装置以及发射线圈；接收组件包括接收线圈，与接收线圈依次连接的切换型补偿装置、整流稳压模块以及有源负载；发射线圈向接收线圈传递能量。该装置能够实现装置的增益可调，其接收组件的补偿方式可以在LCL补偿与串联（S）补偿之间切换，从而减少在为有源负载供电过程中对有源负载产生的损害。

Description

一种增益可调的有源负载无线充电装置及其调节方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种增益可调的有源负载无线充电装置及其调节方法。

背景技术

无线电能传输技术是一种借于空间无形软介质(如电场、磁场、微波等)，实现将电能由电源端传递至用电设备的一种供电模式。该技术是集电场、磁场、高频电子、电磁感应和耦合模理论等多学科交叉的基础研究与应用研究。

无线电能传输装置不需要用电缆将设备与供电系统连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在多种场所，又可以为各种类型的设备提供充电服务，使随时随地充电变为可能。

基本的无线电能传输系统谐振补偿方式有串联(S)补偿方式与并联(P)补偿方式，除此之外，还有新型的LCL补偿、LCC补偿方式等。不同的补偿方式拥有各自的优势与特点，因此对于不同的应用环境，可以选取不同的补偿方式。

对于有源负载，在其充电过程中通常需要恒流充电与恒压充电两个阶段。对于恒流充电阶段，应使无论有源负载的等效阻抗如何变化，所流过的电流恒定；而对于恒压充电阶段，应使无论有源负载的等效阻抗如何变化，两端的电压恒定。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够根据有源负载的供电需求，使接收端的补偿方式灵活地在LCL补偿与串联(S)补偿之间切换，且增益可调的无线充电装置。

本发明的另一个目的是提供一种增益可调的有源负载无线充电装置的调节方法。

为实现上述第一个目的，本发明采用的技术方案是：一种增益可调的有源负载无线充电装置，包括发射组件和接收组件，发射组件与接收组件连接；发射组件包括直流电源，与直流电源依次连接的全桥逆变模块、参数可调型LCL补偿装置以及发射线圈；接收组件包括接收线圈，与接收线圈依次连接的切换型补偿装置、整流稳压模块以及有源负载；发射线圈向接收线圈传递能量。

在上述的增益可调的有源负载无线充电装置中，参数可调型LCL补偿装置包括电感L_f1、电感L_f2、和电容C_f连接的LCL补偿电路；且电感L_f1、电感L_f2的电感值相同。

在上述的增益可调的有源负载无线充电装置中，切换型补偿装置包括电感L_g1、电感L_g2、电容C_g和开关S₂连接的LCL补偿电路，开关S₂设置在电容C_g与电感L_g1、电感L_g2的连接处；电感L_g1串联电容C_sg，电容C_sg与开关S₁并联；且电感L_g1、电感L_g2的电感值相同。

在上述的增益可调的有源负载无线充电装置中，电感L_f1、电感L_f2均采用多个电感按矩阵方式排列，每个电感的交叉处设置开关，每个电感与开关连接，每个开关均连接x信号和y信号；且电感L_f1和电感L_f2的矩阵结构相同。

在上述的增益可调的有源负载无线充电装置中，电感L_g1、电感L_g2均采用多个电感按矩阵方式排列，每个电感的交叉处设置开关，每个电感与开关连接，每个开关均连接x信号和y信号；且电感L_g1和电感L_g2的矩阵结构相同。

在上述的增益可调的有源负载无线充电装置中，电容C_f采用多个电容按矩阵方式排列，每个电容的交叉处设置开关，每个电容与开关连接；每个开关均连接x信号和y信号。

在上述的增益可调的有源负载无线充电装置中，电容C_g和电容C_sg均采用多个电容按矩阵方式排列，每个电容的交叉处设置开关，每个电容与开关连接；每个开关均连接x信号和y信号。

为实现第二个目的，本发明采用的技术方案是：一种增益可调的有源负载无线充电装置的调节方法，包括以下步骤：

步骤1、首先给定充电装置尺寸以及基本电气参数；

步骤2、再分别测量发射线圈与接收线圈的自感值，以及他们之间的互感值；

步骤3、根据设定输出电压U_O和输出电流I_O，定义增益G_UU和增益G_UI；

步骤4、并通过定义增益G_UU和增益G_UI计算充电装置所需电感L_f和电感L_g的电感值；进一步计算充电装置所需电容C_p、C_s、C_f、C_g、C_sg的电容值；以确定充电装置的参数；

步骤5、调节定义增益G_UU和增益G_UI为增益G_UU＇和增益G_UI＇；

步骤6、确定增益G_UU＇所需电感L_f＇的电感值；

步骤8、再通过谐振频率确定所需电容C_f＇的电容值；

步骤9、然后确定增益G_UI＇所需电感L_g＇的电感值；

步骤10、通过谐振频率确定所需电容C_g＇、C_sg＇的电容值；

步骤11、通过发送信号控制矩阵开关的通断，调节充电装置的电感值和电容值，从而实现充电装置增益的调节。

本发明的有益效果是：可以根据给定增益G_UU与G_UI对发射组件中的补偿电感以及补偿电容参数进行调节，实现装置的增益可调。装置在为有源负载进行供电过程中，当需要进行恒流供电时，装置可以采用LCL-LCL补偿方式；当需要进行恒压供电时，装置可以切换为LCL-S补偿方式，即实现装置的接收组件的补偿方式可以在LCL补偿与串联(S)补偿之间切换，减少在为有源负载供电过程中对有源负载产生的损害。

附图说明

图1为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置的系统结构示意图；

图2为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置的电路示意图；

图3为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置的LCL-LCL补偿方式的电路示意图及其简化电路示意图；

图4为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置的LCL-S补偿方式的电路示意图及其简化电路示意图；

图5为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置中矩阵开关控制的可调电感结构图；

图6为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置中矩阵开关控制的可调电容结构图；

图7为本发明一个实施例增益可调的有源负载无线充电装置的调节方法流程图；

其中，U_P为输入电压U_in经过全桥逆变后获得的高频电压；

I_P为经过全桥逆变后获得的高频电流；

I_LP为原边流经发射线圈的电流值；

L_f1、L_f2为原边LCL补偿中的两个电感，其值相等，为L_f；

C_f为原边LCL补偿中的电容，其与L_f相匹配，即有ωL_f＝1/ωC_f；

L_p为发射线圈的电感值；

C_p为发射线圈的补偿电容值，其与L_p相匹配，即有ωL_p＝1/ωC_p；

L_s为接收线圈的电感值；

C_s为接收线圈的补偿电容值，其与L_s相匹配，即有ωL_s＝1/ωC_s；

L_g1、L_g2为副边LCL补偿中的两个电感，其值相等，为L_g；

C_g为副边LCL补偿中的电容，其与L_g相匹配，即有ωL_g＝1/ωC_g；

I_LS为副边流经接收线圈的电流值；

I_O为副边流经有源负载的电流值；

R_L为有源负载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例采用的技术方案为：一种增益可调的有源负载无线充电装置，包括发射组件1与接收组件2；其中发射组件1包括直流电源11依次连接全桥逆变模块12、参数可调型LCL补偿装置13以及发射线圈14；接收组件2包括接收线圈21依次连接切换型补偿装置22、整流稳压模块23以及有源负载24。

而且，发射组件1的补偿方式采用LCL补偿方式，通过使发射线圈14的电流保持恒定，使其产生的磁场保持恒定，从而提高稳定性。

而且，接收组件2的补偿方式在LCL补偿与串联(S)补偿之间可切换，使得有源负载需要恒流源供电时，装置可以切换到LCL-LCL补偿；有源负载需要恒压源供电时，装置可以切换到LCL-S补偿。

并且，为了实现充电装置的增益可调，需要对整个充电装置中的电感值进行调节，由于调整过程中对于充电装置的频率并不会产生影响，为了匹配充电装置的频率，充电装置中的电容值也需要进行调整。

如图5所示，将充电装置中的电感采用按矩阵排列的电感代替，或将电感与按矩阵排列的电容并联，通过矩阵开关的通断，能够自由地匹配出所需要的电感值。如图6所示，将装置中的电容也采用按矩阵排列的电容代替，通过矩阵开关的通断，自由地匹配出所需要的电容值，从而实现电感以及电容的可调。

如图2所示，由于L_f1与L_f2的电感值一样，L_g1与L_g2的电感值也一样，因此将其电感矩阵结构设计一致，则可分别通过相同的一个信号对这两个电感进行控制，从而精简了信号量。

具体实施时，如图2所示，其中：

(1)电压U_P由直流电源U_in通过全桥逆变电路获得。

(2)发射组件1采用LCL补偿方式使通过发射线圈14的电流保持恒定，从而使其产生的磁场保持恒定，提高稳定性。

下面以LCL-LCL补偿方式为例对上述结论进行证明：

如图3所示，是本增益可调的有源负载无线充电装置的LCL-LCL补偿方式的电路示意图及其简化电路示意图。通过对简化后的电路示意图列网孔电流方程，得：

解方程组，得：

从所得到的结果可以看出，流经发射线圈14的电流I_LP的大小与装置的负载R_L无关，当U_P与L_f确定时，I_LP的大小也随之确定而不会改变，因此采用LCL补偿方式使通过发射线圈14的电流保持恒定，从而使其产生的磁场保持恒定。

(3)接收组件2的补偿方式在LCL补偿方式与串联(S)补偿方式之间可切换。当接收组件2的补偿方式采用LCL补偿时，可以实现对有源负载24的恒电流输出，从而完成恒流供电；当接收组件2的补偿方式采用串联(S)补偿时，可以实现对有源负载24的恒电压输出，从而完成恒压供电。两种补偿方式都能够使系统的等效阻抗呈现纯阻性，减少装置中无功功率损耗，使装置的传输效率大大增加。

证明如下：

首先对接收组件1采用LCL补偿方式的情况进行证明，此时装置为LCL-LCL补偿方式。如图3所示，是本增益可调的有源负载无线充电装置的LCL-LCL补偿方式的电路示意图及其简化电路示意图。通过(2)中对此补偿方式的分析，可以得到：

从所得到的结果可以看出，流经有源负载24的电流I_O的大小与装置的负载R_L无关，当U_P、L_f和L_g确定时，I_O的大小也随之确定而不会改变，从而实现了对有源负载的恒流供电。

以下对接收组件1采用串联(S)补偿方式的情况进行证明，此时装置为LCL-S补偿方式。如图4所示，是本增益可调的有源负载无线充电装置的LCL-S补偿方式的电路示意图及其简化电路示意图。通过对简化后的电路示意图列写网孔电流方程，得：

解方程组，得：

由此可知，施加在有源负载24上的电压U_O为：

从所得到的结果可以看出，施加在有源负载24的电流U_O的大小与装置的负载R_L无关，当U_P、L_f和M确定时，U_O的大小也随之确定而不会改变，从而实现了对有源负载的恒压供电。

当接收组件2采用LCL补偿方式时，装置的等效阻抗Z_T为：

当接收组件2采用串联(S)补偿方式时，装置的等效阻抗Z_T为：

由上可知，接收组件2无论采用哪种补偿方式，都将使充电装置的等效阻抗Z_T呈现纯阻性，从而减少装置中的无功功率损耗，大大地增加了装置的传输效率。

在实际使用过程中，通过开关S₁与S₂的通断实现接收组件2的LCL/S补偿方式的转换。当需要进行LCL补偿时，控制开关S₁与S₂同时闭合，将电容C_g投入，并将电容C_sg短路，由L_g2、C_g、L_g1构成LCL补偿；当需要进行串联(S)补偿时，控制开关S₁与S₂同时开断，将C_g切除，并将电容C_sg投入，以此来补偿电感L_g1，L_g2与C_s组合呈容性，形成串联(S)补偿。

(4)通过调节发射组件1中电感L_f1与L_f2的电感值，从而实现对装置增益G_UU的调节；由于调整过程中对于系统的频率并不会产生影响，因此为了匹配系统的频率，发射组件1中的电容C_f的值也需要进行调整。增益G_UU调节完成后，需要通过调节接收组件2中的电感L_g1与L_g2的电感值来对增益G_UI进行调节，同时为了匹配系统频率，电容C_g以及C_sg也需要进行调节。

下面对本装置增益可调的原因进行分析，并对具体的调节方式进行阐述：

通过对图2所示的本增益可调的有源负载无线充电装置的电路示意图以及上述(3)进行分析，可以得到本装置的增益如下：

从所得的结果可以看出，通过调节发射组件1中电感L_f1与L_f2的电感值即可完成对装置增益G_UU的调节。但是，由于调整过程中对于系统的频率并不会产生影响，因此发射组件1中的电容C_f的值也需要进行调整。当增益G_UU调节完成后，再调节接收组件2中的电感L_g1与L_g2的电感值，从而对增益G_UI进行调节，同样的，为了匹配系统的频率，电容C_g以及C_sg也需要进行调节。

如图5所示，为本实施例所采用的矩阵开关控制的可调电感结构图。

对于L_f1，采用多个电感按矩阵方式排列，交叉处为开关设置处，因此开关也排列成矩阵方式。每一个开关都由一个x信号与一个y信号控制，当且仅当同时接收到x与y信号时开关才闭合。这样通过矩阵排列的开关，可以实现多个电感的串联、并联组合，从而形成多种电感值的组合形式，实现电感可调。

而对于L_f2，由于其电感值要求与L_f1一致，因此将其结构设置与L_f1完全一致，并使用完全相同的信号，当信号发出时，L_f1与L_f2同时进行调节，保持一致，这样既能减少所需的信号量，又能保证调节的准确性。

对于L_g1与L_g2比照L_f1、L_f2的方式实施，因此其调节过程与原理与上述L_f1、L_f2的一致。

如图6所示，为本实施例采用的矩阵开关控制的可调电容结构图。其原理与可调电感一致，这里不再进行赘述。

另外，对于电感的调节，除了采用可调电感代替普通电感外，还可以采用在普通电感上并联可调电容的方式，通过调整并联的可调电容的电容值，对普通电感进行补偿，从而实现等效电感值的可调性，实现电感可调节。

如图7所示，本实施例增益可调的有源负载无线充电装置的调节方法的流程图。

1)首先给定装置尺寸以及基本电气参数；

2)再分别测量发射线圈与接收线圈的自感值，以及其互感值；

3)然后根据需求的输出电压U_O和输出电流I_O，定义增益G_UU和G_UI；

4)并通过增益进一步计算所需要的电感值L_f和L_g，从而进一步计算各部分所需电容值C_p、C_s、C_f、C_g、C_sg，以此确定了整个装置的各部分参数。

5)由于系统的增益调节有范围的限制，因此在第一次定义增益时，需要将增益定义在调节范围的中间位置。在装置使用过程中，通过自己的需求，可以对增益G_UU和G_UI进行向上或向下的调节；

6)首先需要对G_UU进行调节为G_UU＇，通过上述(4)中所得增益公式计算所需要的电感值L_f＇，继而根据谐振频率计算公式计算所需要的电容值C_f＇；

7)确定好G_UU＇后，再对G_UI＇进行调节，此时由于L_f＇已经确定，因此只需要对L_g＇进行调节，再对C_g＇以及C_sg＇进行调节。

8)通过控制器发送信号，控制可调电感与可调电容中的矩阵开关的通断，改变发射组件1中电感以及电容的值，从而实现装置的增益可调。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，包括发射组件和接收组件，发射组件与接收组件连接；发射组件包括直流电源，与直流电源依次连接的全桥逆变模块、参数可调型LCL补偿装置以及发射线圈；接收组件包括接收线圈，与接收线圈依次连接的切换型补偿装置、整流稳压模块以及有源负载；发射线圈向接收线圈传递能量。

2.如权利要求1所述的增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，参数可调型LCL补偿装置包括电感L_f1、电感L_f2、和电容C_f连接的LCL补偿电路；且电感L_f1、电感L_f2的电感值相同。

3.如权利要求1所述的增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，切换型补偿装置包括电感L_g1、电感L_g2、电容C_g和开关S₂连接的LCL补偿电路，开关S₂设置在电容C_g与电感L_g1、电感L_g2的连接处；电感L_g1串联电容C_sg，电容C_sg与开关S₁并联；且电感L_g1、电感L_g2的电感值相同。

4.如权利要求2所述的增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，电感L_f1、电感L_f2均采用多个电感按矩阵方式排列，每个电感的交叉处设置开关，每个电感与开关连接，每个开关均连接x信号和y信号；且电感L_f1和电感L_f2的矩阵结构相同。

5.如权利要求3所述的增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，电感L_g1、电感L_g2均采用多个电感按矩阵方式排列，每个电感的交叉处设置开关，每个电感与开关连接，每个开关均连接x信号和y信号；且电感L_g1和电感L_g2的矩阵结构相同。

6.如权利要求2所述的增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，电容C_f采用多个电容按矩阵方式排列，每个电容的交叉处设置开关，每个电容与开关连接；每个开关均连接x信号和y信号。

7.如权利要求3所述的增益可调的有源负载无线充电装置，其特征是，电容C_g和电容C_sg均采用多个电容按矩阵方式排列，每个电容的交叉处设置开关，每个电容与开关连接；每个开关均连接x信号和y信号。

8.一种增益可调的有源负载无线充电装置的调节方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、首先给定充电装置尺寸以及基本电气参数；

步骤2、再分别测量发射线圈与接收线圈的自感值，以及他们之间的互感值；

步骤3、根据设定输出电压U_O和输出电流I_O，定义增益G_UU和增益G_UI；

步骤4、并通过定义增益G_UU和增益G_UI计算充电装置所需电感L_f和电感L_g的电感值；进一步计算充电装置所需电容C_p、C_s、C_f、C_g、C_sg的电容值；以确定充电装置的参数；

步骤5、调节定义增益G_UU和增益G_UI为增益G_UU＇和增益G_UI＇；

步骤6、确定增益G_UU＇所需电感L_f＇的电感值；

步骤8、再通过谐振频率确定所需电容C_f＇的电容值；

步骤9、然后确定增益G_UI＇所需电感L_g＇的电感值；

步骤10、通过谐振频率确定所需电容C_g＇、C_sg＇的电容值；

步骤11、通过发送信号控制矩阵开关的通断，调节充电装置的电感值和电容值，从而实现充电装置增益的调节。