CN108964291A - 动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统及其控制方法，其系统包括原边电路、副边电路、负载RL和驱动控制电路，且所述原边电路包含直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿电路和发射线圈LP；副边电路包含接收线圈LS、副边谐振补偿电路和由D1～D4四个二极管组成的全桥电路。驱动控制电路包括驱动控制器，两个全控型开关管S1和S2。该系统的控制方法包含以下步骤：S1：检测负载RL的电流得出输出功率；S2：结合当前输出功率，根据需要调节S1和S2的通断以及占空比，实现功率调节。本发明的显著效果是：有效的快速调节输出功率并使之稳定，降低了电路的复杂度、体积和成本，保证了系统的输出功率在很短的时间内达到并稳定在设定值。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，具体设计一种通过动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统及其方法。
背景技术
随着科技的不断发展，无线电能传输技术已逐渐成为当下电工技术领域研究热点，它解决了传统导线直接电气接触带来的各种问题，具有广泛的应用前景。其中以感应耦合电能传输(ICPT)技术的研究最为热点，也取得了众多的理论和实际成果，并逐步推广应用。在输出功率的调节控制上，通常会采用在原边高频逆变电路之前或副边整流电路之后增加一个DC-DC变换电路，通过该电路调节电压的大小从而调节输出功率的大小。这些方式会增加电路的复杂度、增加系统的体积和成本。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统及其控制方法，旨在通过全控型开关管实现对传输系统中桥式电路的效率控制，完成对无线电能传输系统的输出功率的动态解耦调节。
为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统，包含原边电路、副边电路、负载RL和驱动控制电路，其关键在于：所述原边电路包含直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿电路和发射线圈LP；所述副边电路包含接收线圈LS、副边谐振补偿电路和由D1～D4四个二极管组成的全桥电路；所述驱动控制电路包括驱动控制器，两个全控型开关管S1和S2；所述全控型开关管S1和S2分别与全桥电路中的二极管D3和D4反并联连接，且同时与驱动控制电路连接；所述驱动控制电路通过检测负载RL的电流，得出输出功率，进而控制全控型开关管S1和S2的通断以及占空比。
可选地，所述全控型开关管可选择但不限于MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(integratedGate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)或者GTO(gate turn-offthyristor，可关断晶闸管)中的一种。
可选地，驱动控制电路通过设置电流霍尔传感器来检测负载RL的电流。
一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统的控制方法，其关键在于包含以下步骤：
S1：通过驱动控制电路检测负载RL的电流得出输出功率；
S2：结合当前输出功率，根据需要调节全控型开关管S1和S2的通断以及占空比，实现副边电路的功率调节。
可选地，步骤S2所述调节方法为单管调节，即同一时刻只调节一个全控型开关管的占空比，另一个全控型开关管常通或者常断。
可选地，步骤S2所述调节方法为双管调节，同时调节全控型开关管S1和S2的占空比。
可选地，步骤S2中调节占空比的方法为：向全控型开关管S1和S2输入设定频率的脉冲驱动信号。
本发明的显著效果是：有效的快速调节输出功率并使之稳定，降低了电路的复杂度、体积和成本，增大了系统输出功率调节的可实现范围并保证了系统的输出功率在很短的时间内达到并稳定在设定值，提升了系统的鲁棒性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为系统整体结构图；
图2为输出功率为零时系统等效电路图；
图3为输出功率为最大功率时系统等效电路图：
图4为输出功率在最大功率的0～50％范围内变化时的系统等效电路图；
图5为输出功率在最大功率的50％～100％范围内变化时的系统等效电路图；
图6为输出功率在最大功率的0％～100％范围内变化时的系统等效电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的图1～6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
本实施例实现了一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统，包含原边电路、副边电路、负载RL和驱动控制电路，如图1所示。本系统其关键在于：所述原边电路包含直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿电路和发射线圈LP；所述副边电路包含接收线圈LS、副边谐振补偿电路和由D1～D4四个二极管组成的全桥电路；所述驱动控制电路包括驱动控制器，两个全控型开关管S1和S2；所述全控型开关管S1和S2分别与全桥电路中的二极管D3和D4反并联连接，且同时与驱动控制电路连接；所述驱动控制电路通过检测负载RL的电流，得出输出功率，进而控制全控型开关管S1和S2的通断以及占空比。
可选地，所述全控型开关管选择MOSFET、IGBT、IGCT或者GTO中的一种。
可选地，驱动控制电路通过设置电流霍尔传感器来检测负载RL的电流。
一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统的控制方法，其关键在于包含以下步骤：
S1：通过驱动控制电路检测负载RL的电流得出输出功率；
S2：结合当前输出功率，根据需要调节全控型开关管S1和S2的通断以及占空比，实现副边电路的功率调节。
可选地，步骤S2中调节占空比的方法为：向全控型开关管S1和S2输入设定频率的脉冲驱动信号。
一种具体的采用本发明控制方法的无线电能传输系统，在传统无线电能传输系统的接收电路中加入驱动控制电路和全控型开关管S1和S2，如图1所示。图中驱动控制电路通过设置电流霍尔传感器读取流经负载RL的电流，从而得出输出功率。接着驱动控制电路根据当前所需要功率的大小来调节全控型开关管S1和S2的导通与关断，或者调节全控型开关管S1和S2的输入信号的占空比，从而实现输出功率的增大或减小。
此次实施例中，步骤S2所采取调节方法为单管调节，即同一时刻只调节一个全控型开关管的占空比，另一个全控型开关管常通或者常断。其实现对输出功率的调节，其步骤如下：
当全控型开关管S1和S2均导通时，等效电路图如图2所示，此时负载RL相当于被短路，输出功率为0。当全控型开关管S1和S2均关断时，等效电路图如图3所示，此时副边谐振网络后为不可控全桥整流电路，输出功率为最大值。
当系统输出功率要求在0到最大输出功率的50％间变化时，驱动控制电路控制两个全控型开关管S1和S2中的一个关闭，一个导通，且导通开关管所接收信号为设定频率的脉冲驱动信号，系统等效电路图如图4所示。该驱动信号占空比在100％～0间变化时，输出功率在最大输出功率的0～50％变化。即当该信号占空比为100％时输出功率为0；占空比为0时，输出功率为最大输出功率的50％。
当系统输出功率要求在最大输出功率的50％～100％变化的时候，驱动控制电路控制两个全控型开关管S1和S2中的一个保持常通，一个由输入信号导通，且该输入信号为设定频率的脉冲驱动信号。此时系统等效电路图如图5所示。该驱动信号占空比在100％～0间变化时，输出功率在最大输出功率的50％～100％变化。即当该信号占空比为100％时输出功率为50％；占空比为0时，输出功率为最大输出功率的100％。
在上述实施例的基础上，作为另一种实施方式，此次实施例中步骤S2所述调节方法采用双管调节，即同时打开全控型开关管S1和S2并输入设定频率的脉冲驱动信号，调节其占空比。按照图1所示的控制电路实现双管调节的其具体实时步骤如下：
当全控型开关管S1和S2均导通时，等效电路图如图2所示，此时负载RL相当于被短路，输出功率为0。当全控型开关管S1和S2均关断时，等效电路图如图3所示，此时副边谐振网络后为不可控全桥整流电路，输出功率为最大值。
当系统输出功率要求在最大输出功率的0％～100％变化的时候，驱动控制电路同时打开两个全控型开关管S1和S2。与此同时，同时向两个全控型开关管S1和S2输入相同的设定频率的脉冲驱动信号。此时所得系统如图6所示。该驱动信号占空比在100％～0间变化时，输出功率在最大输出功率的0～100％变化。即当该信号占空比为100％时输出功率为0；占空比为0时，输出功率为最大输出功率的100％。
同样的，在上述两例实施例的基础上，两个全控型开关管S1和S2还可以在不同时间段交替性的改变脉冲驱动信号，以此获得输出功率在最大输出功率的0％～100％变化。
综上所述，本发明系统及其控制方法，能够有效的快速调节输出功率并使之稳定，降低了电路的复杂度、体积和成本，增大了系统输出功率调节的可实现范围并保证了系统的输出功率在很短的时间内达到并稳定在设定值，提升了系统的鲁棒性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (7)
1.一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统，包含原边电路、副边电路、负载RL和驱动控制电路，其特征在于：所述原边电路包含直流电源、高频逆变电路、原边谐振补偿电路和发射线圈LP；所述副边电路包含接收线圈LS、副边谐振补偿电路和由D1～D4四个二极管组成的全桥电路；所述驱动控制电路包括驱动控制器，两个全控型开关管S1和S2；所述全控型开关管S1和S2分别与全桥电路中的二极管D3和D4反并联连接，且同时与驱动控制电路连接；所述驱动控制电路通过检测负载RL的电流，得出输出功率，进而控制全控型开关管S1和S2的通断以及占空比。
2.根据权利要求1所述的动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统，其特征在于：所述全控型开关管包括MOSFET、IGBT、IGCT或者GTO管。
3.根据权利要求1所述的动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统，其特征在于：驱动控制电路通过设置电流霍尔传感器来检测负载RL的电流。
4.如权利要求1所述的一种动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于包含以下步骤：
S1：通过驱动控制电路检测负载RL的电流得出输出功率；
S2：结合当前输出功率，根据需要调节全控型开关管S1和S2的通断以及占空比，实现副边电路的功率调节。
5.根据权利要求4所述的动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：步骤S2所述调节方法为单管调节，即同一时刻只调节一个全控型开关管的占空比，另一个全控型开关管常通或者常断。
6.根据权利要求4所述的动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：步骤S2所述调节方法为双管调节，同时调节全控型开关管S1和S2的占空比。
7.根据权利要求4所述的动态解耦调节输出功率的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：步骤S2中调节占空比的方法为向全控型开关管S1和S2输入设定频率的脉冲驱动信号。
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