CN108199495A - 一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置。系统运行过程中，整个装置可以分为能量整形、能量注入和自由谐振三个主要工作模式。其中，能量整形采用电感进行储能，获得可调控的电流源，易于功率调节；能量注入采用双向注入的方式，一个周期内有两次能量注入，提高了能量变换率；发射端的自由谐振与前端的能量整形相互独立，从而在整个周期内谐振过程谐振频率顺应发射端和接收端等效参数牵引，即自适应谐振，谐振频率可达开关频率的数倍，即实现了低开关频率下的高频变流，且所有功率开关管均可实现零电压开通与零电压关断，降低了开关损耗。

Description

一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置。
背景技术
传统的接触式电能传输存在线路老化漏电、接触火花，过热燃烧等缺点，且在一些特殊场合如海底供，人造器官供电，这些缺点将带来极大的安全隐患。而无线电能传输与传统的接触式电能传输相比具备移动灵活、环境适应力强、无需统一物理接口等特点，得到了广泛关注和应用。国内外提出了很多无线电能传输技术的实现方式，如电磁感应式、磁耦合谐振式、激光、微波等。其中磁耦合谐振式无线电能传输具备传输距离远、对传输介质依赖小、方向性要求不高等优势，是当前的研究热点。磁耦合谐振式无线电能传输之所以能进行高效、远距离传输取决于在发射端的高频激励下，系统是否工作在谐振状态。因此要求激励源除了具备较大功率的驱动能力外，还具备较高的输出频率，且需与系统谐振频率相适应。
传统的半桥和全桥逆变电路成熟、可靠，在工频领域早已进入市场化，功率等级可以做到几十千瓦，但逆变频率必须与开关频率保持一致，受器件高频特性限制，大功率的半桥和全桥逆变电路频率一般在几十千赫兹以下，且随着功率的增加，提高频率的难度越大，难于满足磁耦合谐振式无线电能传输对发射端高频激励的需求；采用E类放大器可以得很高的输出频率，但功率比较小，且功率开关管的电压应力较大，不适用于大功率场合；采用功率逐级放大的方式可以获得兆赫兹级别的大功率电源，但每级都有阻抗匹配要求，电路结构复杂，设计难度大；电容三点式振荡电路输出频率高，结构简单，易于实现，但振荡电路的效率较低，且振荡频率不易调节。总之，虽然有许多有益的拓扑结构被提出，用做磁耦合谐振式无线电能传输发射端的高频逆变环节，但实际效果都不是很理想，难于满足大功率、高频、高效率的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，以解决现有的无线充电发射端受器件高频特性限制难于实现大功率，低开关损耗的高频变流问题。
本发明的技术解决方案是：一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，包括：电源、输入电感Lin、H桥、缓冲电容Cb、谐振电容Cp和发射线圈Lp；
所述H桥由四个功率开关管组成，分别为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；所述四个功率开关管的驱动信号占空比均为50％；所述第一开关管S1和第三开关管S3的驱动信号相位相差为180°；所述第二开关管S2和第四开关管S4的驱动信号相位相差为180°，以控制双向能量注入的时间，以及四个功率开关管的零电压开通与零电压关断；
所述第一开关管S1与第二开关管S2构成H桥的第一桥臂，所述第三开关管S3与第四开关管S4构成H桥的第二桥臂；所述缓冲电容Cb的一端与所述第一桥臂的中点相连；所述缓冲电容Cb的另一端与所述第二桥臂的中点相连；所述谐振电容Cp的一端与所述第一桥臂的中点相连；所述谐振电容Cp的另一端与所述发射线圈Lp的一端相连；所述发射线圈Lp的另一端与所述第二桥臂的中点相连；
所述输入电感Lin的一端与所述电源的正极相连；所述输入电感Lin的另一端与所述H桥的共漏端相连；所述H桥的共源端与所述电源负极相连。
在一较佳实施例中：一个能量转换周期有三个工作模式：前端能量整形模式、能量注入模式和发射端自由谐振模式；
1)能量整形模式：电源给输入电感Lin充电，输入电感Lin进行储能，获得可调控的电流源；
2)能量注入模式：电源和输入电感Lin存储的能量以正向或者反向的方式注入缓冲电容Cb，并通过Cb-Lp-Cp谐振网络在半个谐振周内全部转移到发射端,即缓冲电容Cb的电压可下降为零；
3)发射端自由谐振模式：发射线圈Lp和谐振电容Cp通过所述四个功率开关管自由谐振，谐振频率顺应发射端和接收端等效参数牵引，即自适应谐振，谐振频率可达开关频率的数倍。
在一较佳实施例中：当第一开关管S1与第二开关管S2开通，第三开关管S3与第四开关管S4关断时，双向能量主动注入式发射装置工作在前端能量整形模式和发射端自由谐振模式，且两个模式相互独立；
当第一开关管S1与第四开关管S4开通，第二开关管S2与第三开关管S3关断时，双向能量主动注入式发射装置工作在正向能量注入模式；
当第一开关管S1与第二开关管S2关断，第三开关管S3与第四开关管S4开通时，双向能量主动注入式发射装置又工作在前端能量整形模式和发射端自由谐振模式，且两个模式相互独立；
当第一开关管S1与第四开关管S4关断，第二开关管S2与第三开关管S3开通时，双向能量主动注入式发射装置工作在反向能量注入模式。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供的一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，整个装置可以分为前端能量整形、双向能量注入和发射端自由谐振三个工作模式。前端能量整形和发射端自由谐振相互独立，实现了解耦，谐振频率由电路实时参数决定，即自适应谐振，摆脱了现有无线充电系统中逆变器的开关频率需等于谐振频率的约束，且谐振频率可为开关频率的数倍，实现了低开关频率下的高频逆变；同时，在该控制方法下，能量注入的时间可调，及功率可调，且所有功率开关管均实现了零电压开通与零电压关断，降低了开关损耗。整个变流器结构简单，控制方便，电路中无能量损耗元件，具有较高的转换效率。
附图说明
图1为本发明优选实施例中一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置的电路图。
图2为本发明优选实施例中一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置的关键波形图。
图3的a-d中为本发明优选实施例中一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置的各开关模态等效电路图。
具体实施方式
下面通过结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1和图2，本发明提供的一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，包括电源、输入电感Lin、H桥、缓冲电容Cb、谐振电容Cp和发射线圈Lp；所述H桥由四个功率开关管组成，分别为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；所述四个功率开关管的驱动信号占空比均为50％；所述第一开关管S1和第三开关管S3的驱动信号相位相差为180°；所述第二开关管S2和第四开关管S4的驱动信号相位相差为180°；所述第一开关管S1与第二开关管S2之间、第三开关管S3与第四开关管S4之间均存在相位差，从而控制双向能量注入的时间，以及实现四个功率开关管的零电压开通与零电压关断；
所述第一开关管S1与第二开关管S2构成H桥的第一桥臂，所述第三开关管S3与第四开关管S4构成H桥的第二桥臂；所述缓冲电容Cb的一端与所述第一桥臂的中点相连；所述缓冲电容Cb的另一端与所述第二桥臂的中点相连；所述谐振电容Cp的一端与所述第一桥臂的中点相连；所述谐振电容Cp的另一端与所述发射线圈Lp的一端相连；所述发射线圈Lp的另一端与所述第二桥臂的中点相连；
所述输入电感Lin的一端与所述电源的正极相连；所述输入电感Lin的另一端与所述H桥的共漏端相连；所述H桥的共源端与所述电源负极相连。
所述一种双向能量主动注入式发射装置电路在所提供的控制方法下，主要有四个工作模态，各开关模态等效电路如图3所示，其中Zt为接收端回路则算到发射端的等效阻抗，其换流过程分析如下：
模态1[t0t1]:如图3(a)所示，在该模态下，开关管S1、S2保持开通，输入电源Vin给输入电感Lin充电，谐振电容Cp和发射线圈Lp通过开关管S1、S2和开关管S3、S4的体二极管自由谐振，向负载传输能量，开关管S3、S4的电压应力为零。
模态2[t1t2]:如图3(b)所示，在t1时刻，开关管S4零电压开通，开关管S2关断，由于此时缓冲电容Cb两端的电压为0，开关管S2实现了零电压关断。由于发射线圈Lp的楞次作用，能量大部分流向缓冲电容Cb，即输入电源Vin和输入电感Lin通过开关管S1、S4给缓冲电容Cb充电。与此同时，Cb-Lp-Cp形成一个新的谐振网络，缓冲电容Cb的能量通过该网络向发射端转移。在t2时刻，缓冲电容储存的能量全部转移到发射端，其电压下降为零。
模态3[t2t3]:如图3(c)所示，在t2时刻，开关管S3零电压开通，开关管S1零电压关断，输入电源Vin通过开关管S3、S4给输入电感Lin充电，谐振电容Cp和发射线圈Lp通过开关管S3、S4和开关管S1、S2的体二极管自由谐振，向负载传输能量，开关管S1、S2的电压应力为零。
模态4[t3t4]:如图3(b)所示，在t3时刻，开关管S2零电压开通，开关管S4关断，由于此时缓冲电容Cb两端的电压为0，开关管S4实现了零电压关断。输入电源Vin和输入电感Lin通过开关管S2、S3给缓冲电容Cb充电。与此同时，缓冲电容Cb的能量通过Cb-Lp-Cp网络向发射端转移。在t4时刻，缓冲电容储存的能量全部转移到发射端，其电压下降为零，该模态结束，进入下一个周期。
综上所述，本发明的创新在于通过所提供的控制方法，双向能量主动注入式发射装置具有自适应高频谐振、双向能量注入、功率可调、软开关等优势，在各种复杂工况下，可实现大功率、高效率、高频率的无线电能传输。
以上实施例仅为说明本发明原理所用，并非本发明仅有的实施方式。上述实施例并不应视为限制本发明的范围。本领域的技术人员在阅读并理解了前述详细说明的同时，可以进行修改和变化。具体的保护范围应以权利要求书为准。

Claims (3)

1.一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，其特征在于包括：电源、输入电感Lin、H桥、缓冲电容Cb、谐振电容Cp和发射线圈Lp；
所述H桥由四个功率开关管组成，分别为第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；所述四个功率开关管的驱动信号占空比均为50％；所述第一开关管S1和第三开关管S3的驱动信号相位相差为180°；所述第二开关管S2和第四开关管S4的驱动信号相位相差为180°，以控制双向能量注入的时间，以及四个功率开关管的零电压开通与零电压关断；
所述第一开关管S1与第二开关管S2构成H桥的第一桥臂，所述第三开关管S3与第四开关管S4构成H桥的第二桥臂；所述缓冲电容Cb的一端与所述第一桥臂的中点相连；所述缓冲电容Cb的另一端与所述第二桥臂的中点相连；所述谐振电容Cp的一端与所述第一桥臂的中点相连；所述谐振电容Cp的另一端与所述发射线圈Lp的一端相连；所述发射线圈Lp的另一端与所述第二桥臂的中点相连；
所述输入电感Lin的一端与所述电源的正极相连；所述输入电感Lin的另一端与所述H桥的共漏端相连；所述H桥的共源端与所述电源负极相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，其特征在于：一个能量转换周期有三个工作模式：前端能量整形模式、能量注入模式和发射端自由谐振模式；
1)能量整形模式：电源给输入电感Lin充电，输入电感Lin进行储能，获得可调控的电流源；2)能量注入模式：电源和输入电感Lin存储的能量以正向或者反向的方式注入缓冲电容Cb，并通过Cb-Lp-Cp谐振网络在半个谐振周内全部转移到发射端,即缓冲电容Cb的电压可下降为零；
3)发射端自由谐振模式：发射线圈Lp和谐振电容Cp通过所述四个功率开关管自由谐振，谐振频率顺应发射端和接收端等效参数牵引，即自适应谐振，谐振频率可达开关频率的数倍。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种用于无线电能传输的双向能量主动注入式发射装置，其特征在于：当第一开关管S1与第二开关管S2开通，第三开关管S3与第四开关管S4关断时，双向能量主动注入式发射装置工作在前端能量整形模式和发射端自由谐振模式，且两个模式相互独立；
当第一开关管S1与第四开关管S4开通，第二开关管S2与第三开关管S3关断时，双向能量主动注入式发射装置工作在正向能量注入模式；
当第一开关管S1与第二开关管S2关断，第三开关管S3与第四开关管S4开通时，双向能量主动注入式发射装置又工作在前端能量整形模式和发射端自由谐振模式，且两个模式相互独立；
当第一开关管S1与第四开关管S4关断，第二开关管S2与第三开关管S3开通时，双向能量主动注入式发射装置工作在反向能量注入模式。
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