CN108964287A - 电力无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力无线能量传输系统，通过高频载波调制模块将交流电信号转换成高频调制信号，并通过无线发送模块发送，无线接收模块接收输出上述高频调制信号后经整流模块整流成直流高频调制信号，然后经交流工频切换模块转换成交流高频调制信号，最后经滤波模块滤除其中的高频载波信号，还原成与高频载波调制模块输入一致的交流电信号，实现了交流电力的无线传输。相比现有的无线电力传输方案，省掉至少PFC以及DC/AC逆变电路，因此降低了现有方案中的转换损耗，提高了转换效率，且电路相对简单，降低成本，实施难度低。

Description

电力无线能量传输系统

技术领域

本发明涉及电力无线传输领域，尤其涉及一种电力无线能量传输系统。

背景技术

电动汽车的无线充电方式在行业已经开展了广泛的研究和越来越多的应用，为实现无线充电功能，需要具有电力无线发射功能的无线充电桩，同时电动汽车具有无线接收电力功能以实现无线充电功能，无线充电桩能很好的解决立体车库中有线充电桩针对用户的身份识别无法智能充电的问题。

由于当前普及的电动汽车大部分为有线充电方式，为兼容这些有线充电的电动汽车，在具有无线充电方式的车库中，通过在停车位安装发射端，在泊车板安装接收端，并配置国标充电枪，当电动汽车进入停车位后直接将充电枪插入即可进行充电，这样有线充电方式的电动汽车也可以实现无线电力传输充电，并能实现针对用户的身份识别实现智能充电。

而目前此种无线电力传输方案必须经过AC(交流)/DC(直流)、PFC(功率因素校正)矫正、DC滤波、DC/AC逆变、无线发射、无线接收、AC/DC、DC滤波、一级DC-DC调压，其方案非常复杂、且整个系统体积大，可靠性低，而且转换效率低，更重要是系统的成本高，可实施性难度高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电力无线能量传输系统，目的在于解决现有的电力无线能量传输系统方案复杂、可靠性和转化率低以及成本高和可实施性难度高的问题。

为实现上述目的，本发明提供的一种电力无线能量传输系统，包括发送部分和接收部分，所述发送部分用于发送工频交流电能量，所述接收部分用于将接收到的工频交流能量还原成工频交流电，所述发送部分包括高频载波调制模块、无线发送模块；所述接收部分包括无线接收模块、整流模块、交流工频切换模块以及滤波模块；其中，

所述高频载波调制模块，用于生成高频载波信号，并通过输入的交流电能量进行高频载波，输出对应的包含工频包络能量高频调制信号；

所述无线发送模块，用于将所述高频载波调制模块输出的高频调制信号转换成电磁能量信号；

所述无线接收模块，用于接收所述电磁能量信号，并转换为对应的高频调制信号后输出；

所述整流模块，用于将所述无线接收模块输出的高频调制信号进行整流，转换成直流高频调制信号；

所述交流工频切换模块，用于将所述整流模块输出的直流高频调制信号转换成交流高频调制信号；

所述滤波模块，用于对所述交流工频切换模块输出的交流高频调制信号进行滤波，过滤其中的高频载波成分，输出交流电信号。

优选的，所述高频载波调制模块包括高频调制单元，所述高频调制单元包括单开关激荡电路、半桥变换电路、不对称半桥变换电路、全桥变换电路、三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路中的一种。

优选的，所述无线发送模块或无线接收模块包括串联谐振电路、并联谐振电路、LLC谐振电路或LCC谐振电路中的一种。

优选的，所述交流工频切换模块包括半桥变换电路、全桥变换电路、三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路中的一种。

优选的，所述电力无线能量传输系统还包括在发送部分和/或接收部分的EMC模块，所述发送部分的EMC模块连接于交流输入端和所述高频载波调制模块，所述接收部分的EMC模块连接于所述滤波模块和交流输出端。

优选的，所述高频载波调制模块还包括整流单元；

所述整流单元用于将输入的交流信号进行整流成直流信号输出至所述高频调制单元。

优选的，所述高频调制单元电路的开关管为单向开关管。

优选的，所述高频载波调制模块电路的开关管为单向开关管时，所述高频调制单元还包括与每个所述单向开关管连接的整流电路，所述整流电路将交流信号整流成直流信号输出到所述每个所述单向开关管。

优选的，所述高频载波调制模块电路的开关管为双向电流导通开关管，所述双向电流导通开关管包括单个的双向开关管，或者两个且组成对顶连接的单向开关管。

优选的，所述滤波模块包括单电感电路、LC组合电路或LCR组合电路中的一种。

优选的，所述开关管包括三极管、IGBT或MOS管。

本发明提供的电力无线能量传输系统通过高频载波调制模块将交流电信号转换成高频调制信号，并通过无线发送模块发送，无线接收模块接收输出上述高频调制信号后经整流模块整流成直流高频调制信号，然后经交流工频切换模块转换成交流高频调制信号，最后经滤波模块滤除其中的高频载波信号，还原成与高频载波调制模块输入一致的交流电信号，实现了交流电力的无线传输。相比现有的无线电力传输方案，省掉至少PFC以及DC/AC逆变电路，因此降低了现有方案中的转换损耗，提高了转换效率，且电路相对简单，降低成本，实施难度低。

附图说明

图1为本发明电力无线能量传输系统第一实施例的功能模块示意图；

图2为本发明第一实施例的输入工频交流电波形图；

图3为本发明第一实施例的高频载波调制模块输出波形图；

图4为本发明第一实施例的整流模块输出波形图；

图5为本发明第一实施例的交流工频切换模块输出波形图；

图6为图1中高频载波调制模块第一实施例的电路结构图；

图7为图1中高频载波调制模块第二实施例的电路结构图；

图8为图1中高频载波调制模块第三实施例的电路结构图；

图9为图1中高频载波调制模块第四实施例的电路结构图；

图10为图6高频载波调制模块第一具体电路结构图；

图11为图6高频载波调制模块第二具体电路结构图；

图12为图6高频载波调制模块第三具体电路结构图；

图13为图1中无线发送模块第一实施例的电路结构图；

图14为图1中无线发送模块第二实施例的电路结构图；

图15为图1中无线发送模块第三实施例的电路结构图；

图16为图1中无线发送模块第四实施例的电路结构图；

图17为图1中无线发送模块第五实施例的电路结构图；

图18为图1中交流工频切换模块第一实施例的电路结构图；

图19为图1中交流工频切换模块第二实施例的电路结构图；

图20为本发明电力无线能量传输系统第一实施例的整体电路结构图；

图21为本发明电力无线能量传输系统第二实施例的功能模块结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中涉及"第一"、"第二"等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本发明实施例提供的电力无线能量传输系统模块结构图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例提供的电力无线能量传输系统包括发送部分和接收部分，发送部分包括高频载波调制模块10、无线发送模块20；接收部分包括无线接收模块30、整流模块40、交流工频切换模块50以及滤波模块60；

高频载波调制模块10用于生成高频载波信号，并通过对输入的如图2所示工频(如50Hz)交流电能量进行高频载波，输出对应的包含工频包络能量高频调制信号，其输出的波形如图3所示；高频载波调制模块10内部包含生成高频信号的电路生成高频载波信号，通过高频载波调制模块10将输入的交流工频(如50Hz)信号做为调制信号，去控制高频载波信号的振幅，使得载波的振幅按照调制信号即交流工频信号的规律变化，得到如图3所示的调幅波，调幅波幅值各点所形成的如图中虚线所示的包络线反映了调制波即交流工频信号的特点。这里的高频载波频率范围一般为20～30KHz或者80～90KHz，其中前者用于民用场合，后者用于工业场合。

无线发送模块20用于将高频载波调制模块10输出的高频调制信号转换成电磁能量信号；无线发送模块基于高频LC谐振电路，最后通过发射天线将电磁能量发射。

无线接收模块30用于接收无线发送模块20发送的电磁能量信号，并转换成高频调制信号后输出；无线接收模块也是基于高频LC谐振电路，其谐振频率与无线发送模块20的相同，这样二者变可以交换能量，从无线接收模块30输出的高频调制信号与图3中相同。

整流模块40用于将无线接收模块30输出的高频调制信号进行整流，转换成直流高频调制信号；其输出波形如图4所示，将图3中包含交流工频包络(如图中虚线部分所示)的调幅波整流输出直流调幅波，其调幅波只包含了正向包络信息。整流模块40基于现有的全波整流电路或者全桥整流电路。

交流工频切换模块50用于将整流模块40输出的直流高频调制信号转换成交流高频调制信号；交流工频切换模块50本质上是逆变电路，其输出的波形如图5所示，将直流调幅波转换成交流调幅波，其包络部分与发送部分的输入的交流电波形相同。

滤波模块60用于对交流工频切换模块输出的交流高频调制信号进行滤波，过滤其中的高频载波成分，输出交流电信号，其输出的交流信号如图2所示，同发送部分的交流输入信号，即发送部分输入的交流电经过上述模块最终还原成相同的交流电输出，实现了交流电力的无线传输。

本发明实施例的电力无线能量传输系统通过高频载波调制模块10将交流电信号转换成高频调制信号，并通过无线发送模块20发送，无线接收模块30接收输出上述高频调制信号后经整流模块40整流成直流高频调制信号，然后经交流工频切换模块50转换成交流高频调制信号，最后经滤波模块60滤除其中的高频载波信号，还原成与高频载波调制模块10输入一致的交流电信号，实现了交流电力的无线传输。相比现有的无线电力传输方案，省掉至少PFC以及DC/AC逆变电路，因此降低了现有方案中的转换损耗，提高了转换效率，且电路相对简单，降低成本，实施难度低。

针对本发明的电力无线能量传输系统，高频载波调制模块10其具体电路结构存在以下几种可选的实施例：

高频载波调制模块10包括但不限于高频调制单元11，高频调制单元11包括单开关激荡电路、半桥变换电路、不对称半桥变换电路、全桥变换电路、三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路中的一个。其中单开关激荡电路如图6所示，主要由开关管K1组成，半桥变换电路如图7所示，由开关管K2和K3组成半桥电路结构，不对称半桥变换电路如图8所示，由开关管K4和K5以及电容C1和C2组成不对称半桥结构，全桥变换电路如图9所示，由开关管K6、K7、K8、K9组成全桥电路结构。上述的各电路的拓扑结构为现有的电路拓扑结构，工作原理不再详述，值得说明的是，高频调制单元11通过基于开关管组成的电路生成高频信号做为高频载波信号，其开关管的控制端可通过控制器如MCU输出高频信号，其信号频率如第一实施例高频载波频率所述，通过控制开关管的开关切换生成了对应的高频信号，输入的交流电源加载在上述开关管组成的电路上，由于加载在其电路上的交流电源的电压按照工频发生变化，因此其电路输出的载波信号的幅度也根据工频发生变化，以此对开关管输出的高频载波信号进行调制得到如图3所示信号波形，其信号包络反映了输入的交流电源的工频信号特点。高频调制单元11除了上述的几种电路结构外，还可以是三电平桥式变换电路结构或多电平桥式变换电路结构。

需要说明的是，由于加载在高频调制单元11电路为输入的交流工频电源，因此其电流方向是时刻变化的，其构成电路的开关管可以是双向电流导通的开关管即双向开关管如专业单个双向开关管，可以通过交流电的正半周和负半周期两个方向的电流，如果采用单向开关管，有以下几种电路结构实现：

如图10所示，高频载波调制模块10还包括整流单元12；整流单元12用于将输入的交流信号进行整流输出脉动直流信号到高频调制单元11。其中整流单元12为全桥结构，对交流电源进行整流成脉动直流信号，高频调制单元11电路主要由单向开关管Q1组成的单开关激荡电路，单开关激荡电路还包括与Q1反向并联的二极管D5，由于单向开关管Q1只能通过直流单向电流信号，因此通过整流单元12的整流，使得单向开关管Q1实现正常工作，当然在增加了整流单元12后，高频调制单元11电路的开关管也可以是双向电流导通的开关管。

如图11所示，高频载波调制模块10中高频调制单元11还包括与每个单向开关管串联的整流电路，此整流电路将交流信号整流成直流信号输出到每个单向开关管，图中整流电路由D8-D11组成全桥结构，与单向开关管Q4一起组成单开关激荡电路，如果是其他的电路结构如半桥变换电路、全桥变换电路等包括多个开关管，则每一个开关管都具有一个与之连接的整流电路，实现每个单向开关管在交流输入电源下正常工作。

如图12所示，高频载波调制模块10中高频调制单元11的单向开关管为两个，如图中的Q2和Q3，其组成对顶连接，以图中的Q2和Q3为N沟道MOS管(金属metal氧化物oxide半导体semiconductor场效应晶体管)为例，Q2的漏极S与Q3的源级D连接，再加上分别反向并联在Q2和Q3上的的二极管D6和D7实现输入交流电源下的正常工作。

上述的开关管还可以是其他类型如三极管、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)。

进一步的，针对本发明的电力无线能量传输系统，无线发送模块20和无线接收模块30其具体电路结构存在以下几种可选的实施例：

无线发送模块20和无线接收模块30包括串联谐振电路、并联谐振电路、LLC谐振电路或LCC谐振电路中的一个。其中串联谐振电路如图13所示，由电感发射线圈L1和电容C1组成串联谐振电路；其中L1为不带铁芯电感，也可以为带铁芯电感，如图14所示的电感发射线圈L2为带铁芯电感；并联谐振电路如图15所示，由电感发射线圈L3和电容C4组成并联谐振电路；LLC谐振电路如图16所示，由电感发射线圈L4、电感L5、电容C5和电容C6组成LLC谐振电路；LCC谐振电路如图17所示，由电感发射线圈L6、电容C7和电容C8组成LCC谐振电路。上述的各谐振电路的拓扑结构为现有的电路拓扑结构，工作原理不在详述。上述图13-图17以发送模块20的电路为例，接收模块30与之相同，发送模块20和接收模块30的电路结构优选为相同，以提升二者电力的传输效率。基于本发明实施例的发送模块和接收模块实现无线电路传输时，其原理为基于电磁感应或者磁场共振原理，当发送模块的发射电感线圈和接收模块的接收电感线圈距离比较近如在10CM以内时以电磁感应为主传输电力，当二者的距离大于10CM后以磁场共振原理传输电力。

进一步的，针对本发明的电力无线能量传输系统，交流工频切换模块50其具体电路结构存在以下几种可选的实施例：

交流工频切换模块50包括但不限于半桥变换电路、全桥变换电路、三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路中的一个。如图18所示的半桥变换电路，主要由开关管K10和K11以及电容C6和C7组成的半桥结构，如图19所示的全桥变换电路，由开关管K6、K7、K8、K9组成全桥电路结构。交流工频切换模块50还可以是其他电路结构如三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路，上述的各电路的拓扑结构为现有的电路拓扑结构，工作原理不再详述。交流工频切换模块50负责将从整流模块40输出的直流高频调制信号进行逆变，转换成交流高频调制信号，其包络部分与发送部分的输入的交流电波形相同。滤波模块60负责过滤交流高频调制信号中的高频载波成分，输出交流电信号，其电路结构可以是由电容、或电感、或者LC以及LCR组合，电路的拓扑结构为现有的电路拓扑结构，工作原理不再详述。

图20为本实施例电力无线能量传输系统完整的电路结构图，其中高频载波调制模块10是由双向开关管组成的半桥变换电路，因此不需要在前端加整流单元。无线发送模块20和无线接收模块30是串联谐振电路，整流模块40为全桥整流电路，交流工频切换模块50为半桥变换电路，最后的滤波模块60为LC电路结构。

进一步的，基于本发明电力无线能量传输系统第一实施例，在本发明第二实施例中，电力无线能量传输系统还包括在发送部分和/或接收部分的EMC(电磁兼容性)模块，如图21所示，发送部分的EMC模块70连接交流输入端和高频载波调制模块10，接收部分的EMC模块80连接滤波模块80和交流输出端。EMC电路由EMI(电磁发射)和EMS(电磁抗扰度)电路组成，实现对外界共用电网、内部各敏感器件的干扰，并具备响应的抗扰能力。EMC电路拓扑结构为现有的电路拓扑结构，工作原理不再详述。

在本说明书的描述中，参考术语“第一实施例”、“第二实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种电力无线能量传输系统，其特征在于，包括发送部分和接收部分，所述发送部分用于发送工频交流电能量，所述接收部分用于将接收到的工频交流能量还原成工频交流电，所述发送部分包括高频载波调制模块、无线发送模块；所述接收部分包括无线接收模块、整流模块、交流工频切换模块以及滤波模块；其中，

所述高频载波调制模块，用于生成高频载波信号，并通过对输入的交流电能量进行高频载波，输出对应的包含工频包络能量高频调制信号；

所述无线发送模块，用于将所述高频载波调制模块输出的高频调制信号转换成电磁能量信号；

所述无线接收模块，用于接收所述电磁能量信号，并转换为对应的高频调制信号后输出；

所述整流模块，用于将所述无线接收模块输出的高频调制信号进行整流，转换成直流高频调制信号；

所述交流工频切换模块，用于将所述整流模块输出的直流高频调制信号转换成交流高频调制信号；

所述滤波模块，用于对所述交流工频切换模块输出的交流高频调制信号进行滤波，过滤其中的高频载波成分，输出交流电信号。

2.如权利要求1所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述高频载波调制模块包括高频调制单元，所述高频调制单元包括单开关激荡电路、半桥变换电路、不对称半桥变换电路、全桥变换电路、三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路中的一种。

3.如权利要求1所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述无线发送模块或无线接收模块包括串联谐振电路、并联谐振电路、LLC谐振电路或LCC谐振电路中的一种。

4.如权利要求1所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述交流工频切换模块包括半桥变换电路、全桥变换电路、三电平桥式变换电路或多电平桥式变换电路中的一种。

5.如权利要求1所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述电力无线能量传输系统还包括在发送部分和/或接收部分的EMC模块，所述发送部分的EMC模块连接于交流输入端和所述高频载波调制模块，所述接收部分的EMC模块连接于所述滤波模块和交流输出端。

6.如权利要求2所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述高频载波调制模块还包括整流单元；

所述整流单元用于将输入的交流信号进行整流成直流信号输出至所述高频调制单元。

7.如权利要求6所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述高频调制单元电路的开关管为单向开关管。

8.如权利要求2所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，

所述高频载波调制模块电路的开关管为单向开关管时，所述高频调制单元还包括与每个所述单向开关管串联的整流电路，所述整流电路将交流信号整流成直流信号输出到所述每个所述单向开关管。

9.如权利要求2所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，

所述高频载波调制模块电路的开关管为双向电流导通开关管，所述双向电流导通开关管包括单个的双向开关管，或者两个且组成对顶连接的单向开关管。

10.如权利要求1所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述滤波模块包括单电感电路、LC组合电路或LCR组合电路中的一种。

11.如权利要求1至9任一所述的电力无线能量传输系统，其特征在于，所述开关管包括三极管、IGBT或MOS管。