CN109274183B - 一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统，涉及无线电能传输领域，包括直流电源E、高频逆变器H、整流器R和负载R_load，还包括依次连接的原边结构N₁、等效电容C_E和副边结构N₂，原边结构N₁和副边结构N₂呈对称结构。原边结构N₁包括与高频逆变器H连接的电容C_L1，电容C_L1连接原边线圈L₁后分别连接电容C_f1和电感L_f1，电感L_f1的另一端分别连接等效电容C_E和电容C₁，电容C_f1的另一端分别连接高频逆变器H和电容C₁，电容C₁的另一端连接等效电容C_E。等效电容C_E包括由第一发射极板和第一接收极板组成的极板电容C_int1、由第二发射极板和第二接收极板组成的极板电容C_int2。保证了无线电能传输系统在耦合器偏移而发生剧烈变化时，保持稳定输出。

Description

一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输又称无线电力传输，非接触电能传输，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量(如电磁场能、激光、微波及机械波等)，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。无线电能传输技术能克服传统有线供电方式中，摩擦起火、附着灰尘引起短路，灵活性不足等缺点。目前，常用的两种实现能量无线传输的方式为感应式传输(Inductive power transfer，IPT)和电场式(Capacitivepowertransfer，CPT)，前者通过线圈中的高频电流产生交变磁场将电能从发射线圈传递到接收线圈，后者通过极板间的压差形成位移电流传输能量。

无线电能传输技术已经广泛运用于内置式医疗装置、消费电子产品、照明和电动汽车等领域，然而无论哪种应用场景，其中的耦合器都有可能随着外界环境的变化而发生偏移。通常，无线电能传输系统在耦合器正对时，具有较高的效率和功率，在耦合器发生偏移时，可能导致系统输出功率、电压或电流急剧增加或下降，影响系统的稳定性和性能。

为了增强无线电能传输系统的抗偏移能力，传统的办法有以下几种：

(1)在系统中加入闭环控制，如：通过采集副边输出电压或电流反馈到原边侧，采用移相控制调节逆变器的输出电压；或者在副边电路中加入DC-DC变换电路实现恒压或恒流输出的效果。该方法的缺点在于，系统电路复杂，控制难度大，且增加了成本。

(2)通过优化耦合器的结构，使耦合参数在耦合器发生偏移时不会发生剧烈变化。该方法的不足在于，耦合器结构固定，不能适用于多种充电场合，通常优化后的耦合器结构更加复杂，制作成本更高。

发明内容

本发明的目的在于：为解决无线电能传输过程中，无线电能传输系统输出会因耦合器偏移而发生剧烈变化，导致系统输出功率降低、稳定性差的问题，提供了一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统，包括依次连接的直流电源E、高频逆变器H、原边结构N₁、等效电容C_E、副边结构N₂、整流器R和负载R_load，所述原边结构N₁和副边结构N₂呈对称结构，所述原边结构N₁包括与高频逆变器H连接的电容C_L1，电容C_L1连接原边线圈L₁后分别连接电容C_f1和电感L_f1，电感L_f1的另一端分别连接等效电容C_E和电容C₁，电容C_f1的另一端分别连接高频逆变器H和电容C₁，电容C₁的另一端连接等效电容C_E。

进一步地，所述副边结构N₂包括与等效电容C_E连接的电感L_f2和电容C₂，电感L_f2的另一端分别连接副边线圈L₂和电容C_f2，副边线圈L₂的另一端连接电容C_L2后连接整流器R，电容C_f2的另一端分别连接电容C₂和整流器R，电容C₂的另一端连接等效电容C_E。

进一步地，所述等效电容C_E包括由第一发射极板和第一接收极板组成的极板电容C_int1、由第二发射极板和第二接收极板组成的极板电容C_int2。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，无线电能传输系统的输出电流在耦合器发生偏移时，保持在设定的变化范围以内，比单独的感应式或电场式无线带能传输系统具有更好的抗偏移效果，保证了直流负载电流在耦合器发生变化时，仍能保持稳定输出，提高了无线电能传输系统的稳定性。

2、本发明中，采用两个能量传输通道，传输能量的元件也作为电路的补偿元件，使得电路中的元件得到了充分利用。同时，两个能量传输通道均为正向传输，从而提高了本系统的传输功率。

3、本发明中，对于任何结构的线圈耦合器或极板耦合器，均可采用本系统提及的参数设计公式，使系统输出电流在耦合器发生偏移时，保持在设定的要求范围内，即耦合器的结构可不受任何应用场合的限制，提高了本系统的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的互感值M随耦合器偏移量M的变化曲线图；

图3为本发明的等效电容C_E随耦合器偏移量M的变化曲线图；

图4为本发明的直流负载电流I_R随耦合器偏移量M的变化曲线图；

图5为本发明的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统，如图1所示，包括依次连接的直流电源E、高频逆变器H、原边结构N₁、等效电容C_E、副边结构N₂、整流器R和负载R_load，原边结构N₁和副边结构N₂呈对称结构，原边结构N₁包括与高频逆变器H连接的电容C_L1，电容C_L1连接原边线圈L₁后分别连接电容C_f1和电感L_f1，电感L_f1的另一端分别连接等效电容C_E和电容C₁，电容C_f1的另一端分别连接高频逆变器H和电容C₁，电容C₁的另一端连接等效电容C_E。副边结构N₂包括与等效电容C_E连接的电感L_f2和电容C₂，电感L_f2的另一端分别连接副边线圈L₂和电容C_f2，副边线圈L₂的另一端连接电容C_L2后连接整流器R，电容C_f2的另一端分别连接电容C₂和整流器R，电容C₂的另一端连接等效电容C_E。等效电容C_E包括由第一发射极板和第一接收极板组成的极板电容C_int1、由第二发射极板和第二接收极板组成的极板电容C_int2。本无线电能传输系统中，电能从原边线圈L₁到原边线圈L₂构成一个传输通道，该传输通道的传输介质为磁场。电能从第一发射极板到第一接收极板、第二发射极板到第二接收极板之间形成第二个传输通道，该传输通道的传输介质为电场。本实施例中，极板电容C_int1和极板电容C_int2均采用铝板。本无线电能传输系统中的电路参数满足以下表达式：

表达式(1)中，

分别表示为电路电容元件C_L1、C_L2、C_f1、C_f2、C₁、C₂、C_int1和C_int2的电容值，

分别表示原边线圈L₁、副边线圈L₂、电感L_f1和电感L_f2的自感值。原边线圈L₁和副边线圈L₂按同名端1、2进行耦合，二者的互感值记为M。极板电容C_int1和C_int2的串联等效电容记为C_E，串联等效电容C_E的计算表达式如下：

表达式(2)中，

表示串联等效电容C_E的值。

图1的回路电压方程组如下：

方程组(3)中，I₁、I₂、I₃和I₄分别表示各回路的电流，Z₁₁、Z₂₂、Z₃₃和Z₄₄分别表示各回路的自阻抗，Z₁₂、Z₁₃、Z₁₄、Z₂₁、Z₂₃、Z₂₄、Z₃₁、Z₃₂、Z₃₄、Z₄₁、Z₄₂和Z₄₃分别表示各回路对应的互阻抗，其计算表达式如下：

将表达式(4)代入回路电压方程组(3)后，可得流入整流器R的电流I₄，电流I₄的计算表达式如下：

表达式(3)、(4)、(5)中，j表示向量符号，U表示高频逆变器H输出的电压有效值，R_e表示整流器R和负载R_load构成的等效交流负载。

高频逆变器H直流侧电压和交流侧电压有效值和整流器R直流侧电流和交流侧电流有效值的关系式如下：

将表达式(6)代入表达式(5)后，可得经负载R_load的直流负载电流I_R，直流负载电流I_R的计算表达式如下：

表达式(4)、(5)、(6)、(7)中，

表示直流电源E的电压值，ω表示本无线电能传输系统工作角频率，

表示原边线圈L₁和电容C₁的串联等效电感值L_C1。将原边线圈L₁和电容C₁的串联等效电感值记为L_C2。

当耦合器发生偏移时，互感值M和串联等效电容C_E均减小。从表达式(7)可知，互感值M减小时，将增加直流负载电流I_R的值，串联等效电容C_E减小时，将减小直流负载电流I_R的值，从而使直流负载电流I_R的值基本保持不变，即系统输出电流基本保持不变。设计耦合器在最大偏移位置比正对位置输出电流变化减小5％，如图5所示，输出电流未发生剧烈增加或减小，由此可知，本系统具有有效性。本系统实现抗偏移效果的原理如下：

原边线圈L₁和副边线圈L₂形成的互感值M随耦合器偏移量X的变化曲线如图2所示，串联等效电容C_E随耦合器偏移量X的变化曲线如图3所示。当耦合器正对，即偏移量X为零时，如图2和图3中的A点，互感值M＝M_max，串联等效电容C_E的值

当耦合器处于最大偏移位置，即偏移量X＝X_max时，如图2和图3中的B点，互感值M＝M_min，串联等效电容C_E的值

将互感值M和耦合器偏移量X两个变量进行拟合，得到如下表达式：

表达式(8)中，a和b根据互感值M和耦合器偏移量X的具体值进行计算求得。

根据表达式(7)和(8)可得经负载R_load的直流负载电流I_R的计算表达式如下：

根据表达式(9)，可得直流负载电流I_R随互感值M的变化曲线，如图4所示，A点对应的直流负载电流I_R＝I_max，B点对应的直流负载电流I_R＝I_min。

记无线电能传输系统最大可接受电流输出偏差为G，其表达式如下：

设

M_max、M_min、I_max、G均为已知量，将已知量代入表达式(9)后，可得到如下表达式：

联立表达式(10)和(11)可求得L_C1、L_C2、C₁、C₂、I_min的值，由此可得电容C_L1、C_L2的值可表示为：

又因串联等效电感值L_C1与电容C_f1、串联等效电感值L_C2与电容C_f2均满足谐振关系，因此，电容C_f1和电容C_f2的值可表示为：

根据电路谐振关系，电感L_f1和电感L_f2的值可表示为：

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统，包括直流电源E、高频逆变器H、整流器R和负载R_load，其特征在于，还包括依次连接的原边结构N₁、等效电容C_E和副边结构N₂，所述原边结构N₁和副边结构N₂呈对称结构，所述原边结构N₁包括与高频逆变器H连接的电容C_L1，电容C_L1连接原边线圈L₁后分别连接电容C_f1和电感L_f1，电感L_f1的另一端分别连接等效电容C_E和电容C₁，电容C_f1的另一端分别连接高频逆变器H和电容C₁，电容C₁的另一端连接等效电容C_E；

无线电能传输系统参数设计的具体步骤如下：

步骤1：确定无线电能传输系统的工作角频率ω、输入直流电压E、偏移条件下最大输出电流I_max、最大可接受电流输出偏差G、偏移条件下最小输出电流I_min、原边线圈自感

副边线圈自感

正对时的互感M_max和极板等效电容

步骤2：根据应用场景需求，确定最大偏移距离及最大偏移距离下的互感M_min和极板电容

步骤3：在偏移范围内，对互感M与极板电容C_E两个变量进行拟合，得到

关于M的表达式

a和b是根据互感值和等效电容C_E随偏移量X的具体值得到的拟合系数；

步骤4：根据以上参数列写方程组：

求解方程组，可得元件L_C1、L_C2、C₁的值：

步骤5：根据回路谐振关系及步骤4中求解结果，计算得到电容C_L1、C_L2的值：

进一步得到电容C_f1和电容C_f2的值：

最后得到电感L_f1和电感L_f2的值：

2.根据权利要求1所述的一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统，其特征在于，所述副边结构N₂包括与等效电容C_E连接的电感L_f2和电容C₂，电感L_f2的另一端分别连接副边线圈L₂和电容C_f2，副边线圈L₂的另一端连接电容C_L2后连接整流器R，电容C_f2的另一端分别连接电容C₂和整流器R，电容C₂的另一端连接等效电容C_E。

3.根据权利要求1所述的一种具有高抗偏移特性的无线电能传输系统，其特征在于，所述等效电容C_E包括由第一发射极板和第一接收极板组成的极板电容C_int1、由第二发射极板和第二接收极板组成的极板电容C_int2。

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