CN109617256A

CN109617256A - 一种无线电能多级双向传输系统

Info

Publication number: CN109617256A
Application number: CN201910009235.XA
Authority: CN
Inventors: 王智慧; 唐春森; 孙跃; 左志平; 戴欣; 苏玉刚; 朱婉婷; 叶兆虹
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-01-04
Filing date: 2019-01-04
Publication date: 2019-04-12

Abstract

本发明公开了一种无线电能多级双向传输系统，通过在第一级电源电路和第二级电源电路之间插入中继电路从而使该系统可以应用于距离更远的无线传输应用中，此外，在本发明提供的系统中，可以实现至少两种方向的能量传输，从而可以实现能量的相互补给，进一步地，在本发明提供的系统中，通过设置各电感线圈的角频率相同，以及对各补偿电容、谐振电感的值进行合理配置，使得系统输出对负载变化的敏感性极低，保证了系统可以输出稳定的电压，提高了系统的输出效率。

Description

一种无线电能多级双向传输系统

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，更具体地说，涉及一种无线电能多级双向传输系统。

背景技术

无线电能传输技术是基于电磁感应原理，综合利用电力电子技术、高频逆变技术，借助现代控制理论和方法，实现电能从初级线圈到次级线圈的非接触传输的技术。目前，无线电能传输技术广泛应用于电动汽车、厨房电器、日常家用设备、矿井设备、植入式医疗器械、货架等领域。

无线电能传输技术广泛应用于各种领域，以现代化的货架应用为例，经常会在每层货架中放置传感器等设备来获取货物所处的温度、湿度，以及记录货物的信息。在货架中应用无线电能传输模式给其中的用电器供电，不仅方便快捷，而且便于货架的搬运。目前，大多数无线电能传输系统都是单向传输的，比如，当一个无线电能传输系统中是由A模块给B模块供电时，若出现A模块电量较小，而B模块电量较大的情形，则会严重影响A模块对应应用的实现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种无线电能多级双向传输系统。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种无线电能多级双向传输系统，包括第一级电源电路、第二级电源电路以及至少一个中继电路，所述中继电路设置在所述第一级电源电路和所述第二级电源电路之间，用于通过谐振实现能量的传输，每一级电源电路包括电源模块，所述第一级电源电路用于在正向传输模式下为所述第二级电源电路中的电源模块供电，所述第二级电源电路用于在反向传输模式下为所述第一级电源电路中的电源模块供电。

进一步地，所述中继电路中包括负载电路，所述第一级电源电路还用于在正向传输模式下为所述负载电路供电，所述第二级电源电路还用于在反向传输模式下为所述负载电路供电。

进一步地，每一级电源电路还包括DC/DC变换器，高频变换器以及谐振电路，所述DC/DC变换器用于对所述电源模块产生的电压进行变压转换处理得到U_dc，所述高频变换器用于对所述U_dc进行高频逆变处理得到谐振电路的交流输入电压；所述第一级电源电路包括第一谐振电路，所述第二级电源电路包括第二谐振电路；

所述第一谐振电路包括第一谐振电感L_p11、与所述第一谐振电感L_p11串联的第一补偿电容C_p11、以及与所述第一谐振电感L_p11串联且与所述第一补偿电容C_p11并联的第二补偿电容C_p12和第一电感线圈，所述第二补偿电容C_p12和所述第一电感线圈串联，所述第一电感线圈的线圈自感为L_p12，线圈内阻为R_p12；

所述第二谐振电路包括相串联的第三补偿电容C_s2和第二电感线圈，所述第二电感线圈的线圈自感为L_s2，线圈内阻为R_s2；

所述中继电路包括相互串联的第四补偿电容C_s1、第三电感线圈、第四电感线圈、第五补偿电容C_p22和第二谐振电感L_p21，以及与所述第四电感线圈和所述第五补偿电容C_p22并联的第六补偿电容C_p21，以及与所述第四补偿电容C_s1和所述第三电感线圈并联的所述负载电路；所述第三电感线圈与所述第一电感线圈耦合连接，所述第四电感线圈与所述第二电感线圈耦合连接；所述第三电感线圈的线圈自感为L_s1，线圈内阻为R_s1，所述第四电感线圈的线圈自感为L_p22，线圈内阻为R_p22，所述第一电感线圈、所述第二电感线圈、所述第三电感线圈和所述第四电感线圈的角频率为w。

进一步地，所述系统中的参数满足以下条件：

进一步地，所述第一电感线圈与所述第三电感线圈之间的互感为M₁，所述第二电感线圈与所述第四电感线圈之间的互感为M₂，

进一步地，L_pi＝L_pi1，

本发明提供的无线电能多级双向传输系统，通过在第一级电源电路和第二级电源电路之间插入中继电路从而使该系统可以应用于距离更远的无线传输应用中，此外，在本发明提供的系统中，可以实现至少两种方向的能量传输，从而可以实现能量的相互补给；

进一步地，在本发明提供的系统中，通过设置各电感线圈的角频率相同，以及对各补偿电容、谐振电感的值进行合理配置，使得系统输出对负载变化的敏感性极低，保证了系统可以输出稳定的电压，提高了系统的输出效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例提供的无线电路多级双向传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无线电能多级传输系统的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下的等效电路示意图；

图4为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下的等效电路示意图；

图5-1为本发明实施例提供的系统中负载电压U_ao1随负载阻值变化的示意图；

图5-2为本发明实施例提供的系统中负载电压U_ao2随负载阻值变化的示意图；

图5-3为本发明实施例提供的系统中负载电压U_bo1随负载阻值变化的示意图；

图5-4为本发明实施例提供的系统中负载电压U_bo2随负载阻值变化的示意图；

图6-1为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下电压增益G_ao1随λ₁变化的示意图；

图6-2为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下电压增益G_ao2随λ₂变化的示意图；

图6-3为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下电压增益G_bo1随λ₁变化的示意图；

图6-4为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下电压增益G_bo2随λ₂变化的示意图；

图7-1本发明实施例提供的系统在正向传输模式下的第一波形示意图；

图7-2为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下的第二波形示意图；

图7-3为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下的第三波形示意图；

图7-4为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下的第四波形示意图；

图7-5为本发明实施例提供的系统在正向传输模式下的第五波形示意图；

图8-1为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下的第一波形示意图；

图8-2为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下的第二波形示意图；

图8-3为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下的第三波形示意图；

图8-4为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下的第四波形示意图；

图8-5为本发明实施例提供的系统在反向传输模式下的第五波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种无线电能多级双向传输系统，请参见图1所示，包括第一级电源电路11、第二级电源电路12以及至少一个中继电路13，中继电路13设置在第一级电源电路11和第二级电源电路12之间，用于通过谐振实现能量的传输，每一级电源电路包括电源模块，第一级电源电路用于在正向传输模式下为第二级电源电路中的电源模块供电，第二级电源电路用于在反向传输模式下为第一级电源电路中的电源模块供电。

可选的，中继电路中可以包括负载电路，第一级电源电路还用于在正向传输模式下为负载电路供电，第二级电源电路还用于在反向传输模式下为负载电路供电。

本实施例所提供的系统可以运用于货架中，比如，可以将第一级电源电路设置在货架的第A层，将第二级电源电路设置在货架的第B层，那么第A层和第B层的电源模块可以互相给对方充电。

请参见图2所示，每一级电源电路包括电源模块，DC/DC变换器，高频变换器以及谐振电路，DC/DC变换器用于对电源模块产生的电压进行变压转换处理得到U_dc，高频变换器用于对U_dc进行高频逆变处理得到谐振电路的交流输入电压；第一级电源电路包括第一谐振电路，所述第二级电源电路包括第二谐振电路。

其中，第一谐振电路包括第一谐振电感L_p11、与第一谐振电感L_p11串联的第一补偿电容C_p11、以及与第一谐振电感L_p11串联且与第一补偿电容C_p11并联的第二补偿电容C_p12和第一电感线圈，第二补偿电容C_p12和第一电感线圈串联，第一电感线圈的线圈自感为L_p12，线圈内阻为R_p12；

第二谐振电路包括相串联的第三补偿电容C_s2和第二电感线圈，第二电感线圈的线圈自感为L_s2，线圈内阻为R_s2；

中继电路包括相互串联的第四补偿电容C_s1、第三电感线圈、第四电感线圈、第五补偿电容C_p22和第二谐振电感L_p21，以及与相串联的第四电感线圈和第五补偿电容C_p22并联的第六补偿电容C_p21，以及与相串联的第四补偿电容C_s1和第三电感线圈并联的负载电路；第三电感线圈与第一电感线圈耦合连接，第四电感线圈与第二电感线圈耦合连接；第三电感线圈的线圈自感为L_s1，线圈内阻为R_s1，第四电感线圈的线圈自感为L_p22，线圈内阻为R_p22。第一电感线圈、第二电感线圈、第三电感线圈和第四电感线圈的角频率为w，其中：

图1中的第一级电源电路中的高频变换器包括4个串联的MOS管(S₁₁，S₁₂，S₁₃以及S₁₄)，第二级电源电路中的高频变换器也包括4个串联的MOS管(S₂₁，S₂₂，S₂₃以及S₂₄)，第一级电源电路中的电源模块为E₁，第二级电源电路中的电源模块为E₃，图1中的DC/DC变换器用DC/DC表示。

当系统工作在正向传输模式下时，第一级电源电路中的电源模块产生的源电压E₁经过DC/DC变换后产生电压U_dc1，经过高频逆变之后，产生交流电压U₁，然后将该电压U₁加载到谐振电路上，能量通过两级LCC-SS谐振网络依次传输到两级负载上，两级负载的阻抗表示为R₂和R₃，DC/DC变换以及整流之前的等效交流阻抗表示为R_l2和R_l3。

当系统工作在模式反向传输模式下时，第二级电源电路中的电源模块作为源电源，其电压表示为E₃，经过DC/DC变换后产生电压U_dc3，经过高频逆变之后，产生交流电压U₃，然后将该电压加载到谐振网络上，能量通过谐振网络依次传输到两级负载上。此时，第一级原边的电源模块作为负载，其阻抗表示为R₁，DC/DC变换以及整流之前的等效交流阻抗表示为R_l1。两级原边线圈和副边线圈之间的互感为M₁和M₂，其工作频率为f，其角频率为w。

在两种模式下，系统均采用全桥逆变器，则交流电压的有效值U_i与U_dci的关系为：

系统在正向传输模式下的等效电路如图3所示，由第一级向后级传输能量。系统的两级谐振网络分别分为两个环节，分别为原边LCC补偿环节和副边LC串联补偿环节。

在第二级LC补偿环节，由于所以第二级补偿环节的阻抗呈纯阻性。

根据反射阻抗原理，第二级副边电路在原边的反射阻抗为：

第二级原边LCC补偿环节的总阻抗为：

由于所以上式可以简化为：

由于所以LCC部分的阻抗呈纯阻性。

此时Z_a2可表示为：

当Z_a2与R_l2并联时也为纯阻性，那么第一级电路的阻抗结构与第二级电路的阻抗结构相同，所以，当时，若系统工作在正向传输模式下，则系统总阻抗呈纯阻性。

在上述补偿网络参数配置的条件下，可以计算R_l2上的电压U_ao1为：

R_l3上的电压U_ao2为：

其中Z_aeq2为：

R_l2与R_l3上的输出功率分别为：

当系统工作在反向传输模式下时，能量反向传输，其对应的等效电路图可以参见图4所示，在上述参数配置下，第一级圆边原边的总阻抗为：

可以看出，该部分的阻抗为纯电阻，第一级原边到第一级副边的反射阻抗为：

当L_s1和C_s1满足式(8)时，第一级整体阻抗呈纯阻性。其阻抗为：

当Z_b2与R_l2并联时也为纯阻性，那么第二级电路的阻抗结构与第一级电路的阻抗结构相同，因此，当第二级的谐振补偿网络满足式(2)与式(6)时，第二级原边和副边的谐振补偿网络同样呈纯阻性。由此可见，在正向传输模式的参数配置条件下，系统工作在反向传输模式时，其总阻抗呈纯阻性。在上述参数配置条件下，计算R_l2上的电压U_bo2得：

R_l1上的电压U_bo1为：

式中Z_beq1为：

R_l2与R_l1上的输出功率分别为：

在无线电能多级传输系统中，每一级输出端为了保持电压的恒定，都要加DC/DC进行调压，其等效负载阻抗在电压调节的过程中是在时刻变化的，如果各级负载的输出会随着负载大小的变化而变化，系统很容易由于负载阻值的变化而崩溃，而且也会增加控制难度，因此，降低各级负载输出关于负载变化的敏感性是非常重要的。

在正向传输模式下，由于副边线圈的内阻与负载相比较小，假设将线圈的内阻忽略，则简化式(9)与式(10)可得两个负载上的电压为：

由式(22)和式(23)可以看出，负载电压与负载的大小无关，因此，当系统工作在正向传输模式时，按照上述的参数配置补偿网络，负载电压关于负载的变化不敏感。

同理，在反向传输模式下，假设忽略线圈内阻，式(17)与式(18)可以简化为：

由式(24)与式(25)可知，当系统工作在反向传输模式下时，负载上的输出电压与负载大小无关。

图5-1是在考虑线圈内阻下一种负载电压U_ao1随负载阻值变化的关系图，其中，横坐标是R_l2的阻值，图5-2是在考虑线圈内阻下一种负载电压U_ao2随负载阻值变化的示意图，其中横坐标是R_l3的阻值,5-3是在考虑线圈内阻下一种负载电压U_bo1随负载阻值变化的关系图，其中，横坐标是R_l1的阻值，5-4是在考虑线圈内阻下一种负载电压U_bo2随负载阻值变化的示意图，其中，横坐标是R_l2的阻值。因此可以得出，在本实施例所提供的的拓扑结构以及在上述的参数配置条件下，负载输出关于负载的变化不敏感。

由式(22)、(23)、(24)以及式(25)可知，负载输出电压对于负载的变化不敏感，但是，该电压可由L_pi和M_i决定(i＝1,2)。

假设在正向传输模式中，负载上的输出电压与λ_i成正比；在反向传输模式中，负载上的输出电压与λ_i成反比。所以为了保证系统在两种工作模式下的电压增益足够大，同时也为了增大系统的功率，可以尽量使λ_i＝1，即系统在参数配置的过程中，尽量使L_pi＝L_pi1＝M_i(i＝1,2)。若在系统参数的配置过程中令λ_i＝1，则在两级LCC补偿网络中，C_pi1与C_pi2可配置为：

由式(9)(10)(17)与式(18)可计算输出电压增益为：

图6-1是在正向传输模式中，R_l1上的电压增益G_ao1随λ₁变化的示意图，由图6-1可以看出G_ao1随λ₁的增大而增大，但是G_ao1随λ₂的变化不明显，其中，图6-1中的四条变化直线从上到下依次对应λ₂＝0.5，λ₂＝1，λ₂＝1.5，λ₂＝2。图6-2是在正向传输模式中G_ao2随λ₂变化的示意图，由图6-2可以看出，R_l3上的电压增益G_ao2随λ₁和λ₂的增大而增大，图6-3是在反向传输模式中，R_l1上的电压增益G_bo1随λ₁变化的示意图，由图6-3可以看出G_bo1随λ₁和λ₂的增大而减小，图6-4是在反向传输模式中G_bo2随λ₂变化的示意图，由图6-4可以看出，R_l2上的电压增益G_bo2随λ₂的增大而减小，但是G_bo2随λ₁的变化不明显，图6-4中的两条变化曲线从上到下分别对应λ₁＝1和λ₁＝0.5，λ₁＝1.5和λ₁＝2的变化曲线与λ₁＝1的变化曲线重合。

下面结合具体示例验证本实施例所提供的方案的有效性。

本示例中的无线电能传输系统由主电路和控制电路组成，具体的电路可以参见图1，当某一级作为发射级时，电池电源经过DC/DC变换后经过高频逆变电路将直流电逆变为高频交流电，再经由谐振网络将能量由原边线圈发射出去，能量通过磁场媒介传输到拾取机构，作为接收的级将能量由谐振网络输出，经过整流、滤波以及DC/DC变换后输出至负载，各级经过DC/DC调压之后输出电压控制为30V。

在系统中，采用型号为SiHG32N50D的MOSFET管作为变换器的开关器件，采用FPGA发送相应的驱动信号，试验参数如下面表一所示：

表一

正向传输模式：

电池E₁经过DC/DC变换为250V，图7-1第一级电源电路中的逆变器MOSFET管gs两端的电压U_gs与两级负载都接入时的L_p11上的电流的示意图；图7-2是两级负载都接入时两个副边整流之前的电压U_ao1和U_ao2以及DC/DC变换之后的输出电压U_o1和U_o2的示意图；图7-3是第一级负载断开之后(第一级负载增大到无穷大)两个副边整流之前的电压U_ao1和U_ao2以及第二级副边DC/DC变换之后的输出电压U_o2的示意图；图7-4是第二级负载断开之后(第二级负载增大到无穷大)两个副边整流之前的电压U_ao1和U_ao2以及第一级副边DC/DC变换之后的输出电压U_o1的示意图；图7-5是两级负载都断开之后(两级负载都增大到无穷大)两个副边整流之前的电压U_ao1和U_ao2的示意图。

由图7-2可知，当两级负载都接入时，两级副边整流之前的电压的有效值分别为：U_ao1＝213V，U_ao2＝249V，DC/DC变换后的输出电压分别为：U_o1＝29.7V，U_o2＝30.5V，当第一级负载增大到无穷大时，即第一级负载断开时，可以看出U_ao1＝212V，U_ao2＝250V，第二级DC/DC变换后的输出电压为：U_o2＝30.5V。当接入第一级负载，第二级负载断开时，U_ao1＝214V，U_ao2＝230V，第一级DC/DC变换后的输出电压为：U_o1＝29.6V，当两级负载都断开时：U_ao1＝214V，U_ao2＝232V。U_ao1max＝214V，U_ao1min＝212V，ΔU_ao1＝2V，U_ao2max＝250V，U_ao2min＝230V，ΔU_ao2＝20V，则σ_ao1＝0.9％，σ_ao2＝8.3％，可以看出，在正向传输模式中，当两级负载变化时，两个副边整流之前的电压变化较小，也就是说各级等效负载上的输出电压变化很小，各级负载输出电压受负载变化的影响很小。

反向传输模式：

电池E₃经过DC/DC变换为250V，类似于正向传输模式，图8-1是逆变器MOSFET管gs两端的电压U_gs与两级负载都接入时的L_s2上的电流的示意图；图8-2是两级负载都接入时两个副边整流之前的电压U_bo1和U_bo2以及DC/DC变换之后的输出电压U_b1和U_b2的示意图；图8-3第一级负载断开之后(第一级负载增大到无穷大)两个副边整流之前的电压U_bo1和U_bo2以及第二级副边DC/DC变换之后的输出电压U_o2的示意图；图8-4是第二级负载断开之后(第二级负载增大到无穷大)两个副边整流之前的电压U_bo1和U_bo2以及第一级副边DC/DC变换之后的输出电压U_o1的示意图；图8-5是两级负载都断开之后(两级负载都增大到无穷大)两个副边整流之前的电压U_bo1和U_bo2的示意图。

与正向传输模式类似，当两级负载都接入、断开第一级负载、断开第二级负载以及两个负载都断开时，U_bo1max＝246V，U_bo1min＝241V，U_o1＝29.7V，ΔU_bo1＝5V，U_bo2max＝200V，U_bo2min＝196V，U_o2＝30.4V，ΔU_bo2＝4V，则σ_bo1＝2％，σ_bo2＝2％。可以看出，在反向传输模式中，当两级负载变化时，两个副边整流之前的电压变化较小，也就是说各级整流之前等效负载上的输出电压变化很小，各级负载输出电压受负载变化的影响很小。

本实施例提供的无线电能多级传输模式，不仅可以增加传输距离，实现电能的多级输出，而且可以实现能量的相互补给。系统有正向传输和反向传输两种工作模式，在这两种工作模式下，都可以通过预先配置好的合理的参数来降低系统的输出对于负载的敏感性，并且可以提高系统的电压增益以及输出功率。

要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种无线电能多级双向传输系统，其特征在于，包括第一级电源电路、第二级电源电路以及至少一个中继电路，所述中继电路设置在所述第一级电源电路和所述第二级电源电路之间，用于通过谐振实现能量的传输，每一级电源电路包括电源模块，所述第一级电源电路用于在正向传输模式下为所述第二级电源电路中的电源模块供电，所述第二级电源电路用于在反向传输模式下为所述第一级电源电路中的电源模块供电。

2.如权利要求1所述的无线电能多级双向传输系统，其特征在于，所述中继电路中包括负载电路，所述第一级电源电路还用于在正向传输模式下为所述负载电路供电，所述第二级电源电路还用于在反向传输模式下为所述负载电路供电。

3.如权利要求2所述的无线电能多级双向传输系统，其特征在于，每一级电源电路还包括DC/DC变换器，高频变换器以及谐振电路，所述DC/DC变换器用于对所述电源模式产生的电压进行变压转换处理得到U_dc，所述高频变换器用于对所述U_dc进行高频逆变处理得到谐振电路的交流输入电压；所述第一级电源电路包括第一谐振电路，所述第二级电源电路包括第二谐振电路；

4.如权利要求3所述的无线电能多级双向传输系统，其特征在于，所述系统中的参数满足以下条件：

5.如权利要求4所述的无线电能多级双向传输系统，其特征在于，所述第一电感线圈与所述第三电感线圈之间的互感为M₁，所述第二电感线圈与所述第四电感线圈之间的互感为M₂，

6.如权利要求5所述的无线电能多级双向传输系统，其特征在于，L_pi＝L_pi1，