CN110112836A - 一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法，其中系统包括逆变器和传输线圈，逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，其特征在于，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，第一并联电容与第一开关管并联，第二并联电容与第二开关管并联，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。与现有技术相比，本发明针对E类逆变器两处固有缺陷，分别进行了功率优化提升和软开关工作负载宽度提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线输电系统，尤其是涉及一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法。
背景技术
随着社会的快速发展，电能这种能量形式已经逐步成为各种能量之间转化的媒介，各种手机、手环等智能穿戴设备和家用扫地机器人等电子产品为人们日常起居、出行带来了极大的便利，但传统输电方式却阻碍了这些产品的持续使用性。现阶段，传统的输电方式仍是采用金属有线输电，虽然这种输电方式近些年已得到更为成熟的发展(手机快速充电技术、特高压直流输电技术)，但因其接触式输电的本质没有发生改变，在某些例如煤矿、水下等复杂环境中仍存在较大的安全隐患；输电接触点之间因为线材老化、损耗，极易产生火花引燃周围，对输电安全产生极大威胁。为解决接触式输电的固有缺陷，新型无线输电技术应运而生。
无线输电按照传输距离可分为近中场电能传输、远场电能传输。近中场主要采用电磁之间的转换，利用发射线圈将电转换成磁的形式在空间中进行传输；远场则借助微波进行空间传输，利用发射线圈将电转换成微波的形式在空间中进行传输，其中磁耦合谐振式无线输电技术(Magnetic coupling resonance-Wireless Power Transmission，MCRT-WPT)因兼顾了传输距离和传输效率，成为无线输电领域的研究热门。MCRT-WPT中，为了增大电能传输的功率和效率，系统工作频率一般调制为MHz，较高的调制频率使开关损耗大大增加，E类逆变器因其结构简单、输出频率高，并且可以工作在软开关状况下，近两年成为MCRT-WPT系统热门供电电源之一。
但是，现阶段基于E类逆变器的磁耦合谐振式无线输电系统在高传输效率下的输出功率问题和动态负载下效率下降等问题都没有很好的解决。如何解决以上问题成为当前E类逆变器磁耦合谐振式无线输电技术当务之急。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种磁耦合谐振式无线输电系统，包括逆变器和传输线圈，所述逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，所述第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，所述第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，所述第一并联电容与第一开关管并联，所述第二并联电容与第二开关管并联，所述第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。
所述第一开关管和第二开关管均为MOSFET管，且其源极连接至直流电源。
所述谐振网络包括串联设置的谐振电感和谐振电容。
所述谐振电感和谐振电容之间还串联有负载端并联电容。
所述传输线圈包括发射电路和接收电路，所述发射电路与负载端并联电容并联，所述接收电路与负载连接。
所述发射电路包括发射线圈补偿电容和发射线圈。
所述发射线圈补偿电容的一端与发射线圈的一端连接，另一端与负载端并联电容的一端连接，所述发射线圈的另一端与负载端并联电容的另一端连接。
所述接收电路包括接收线圈和接收线圈补偿电容。
所述接收线圈补偿电容的一端与接收线圈的一端连接，另一端与负载的一端连接，所述接收线圈的另一端与负载的另一端连接。
一种基于无线输电系统的控制方法，包括以下步骤：按照设定频率交替导通第一开关管和第二开关管，从而输出正弦波。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)在保持系统相同频率和输入电压情况下，因为两个开关管分担了直流母线电压，输出电压提升了2倍，输出功率同比提升了4倍
2)关管S1和S2交替导通，输出一个正弦电压，并且每个开关管导通之前，其两端的电压都已经降为零，因此可以保证电路处于软开关工作状态，双路E类逆变电路开关损耗极低。
3)采用阻抗变换的方法缩小了实际负载变化时对应的等效载实部可变范围，提高了系统高传输效率下的抗负载扰动性。
附图说明
图1为双路E类逆变器电路结构示意图；
图2为双路E类逆变器电路工作波形示意图；
图3等效阻抗变换原理示意图；
图4不同并联电容Cp下负载Req与等效串联负载Rs关系曲线示意图；
图5新型磁耦合谐振式无线输电电路示意图；
图6单管E类逆变电路结构示意图；
图7新型磁耦合谐振式无线输电电路仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
首先，发明人将基于E类逆变器的MCRT-WPT系统分为逆变器和传输线圈两部分，分别进行效率、负载特性分析。着重研究了系统负载与逆变器等效负载的对应关系，探讨了E类逆变器在MCRT-WPT中的适用性和不足。
针对逆变电路开关管耐压等级过小会限制了系统整体输出功率的我问题，如图1所示，采用一种双路E类逆变合成的电路结构，能有效提升MCRT-WPT的输出功率，双路E类逆变器电路工作波形如图2所示。
针对E类逆变磁耦合谐振式无线输电系统在功率传输过程中，负载变化会导致无线电能传输效率剧烈抖动下降的问题。提出一种阻抗变换的电路结构，有效提升逆变器在软开关工作下的负载范围了。
综合考虑以上两种优化设计，提出一种可以实现全负载软开关和提升输出功率的MCRT-WPT系统电路结构。
提出一种磁耦合谐振式无线输电系统，如图5所示，包括逆变器和传输线圈，逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，第一并联电容与第一开关管并联，第二并联电容与第二开关管并联，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。
第一开关管和第二开关管均为MOSFET管，且其源极连接至直流电源。
谐振网络包括串联设置的谐振电感和谐振电容，谐振电感和谐振电容之间还串联有负载端并联电容。
传输线圈包括发射电路和接收电路，发射电路与负载端并联电容并联，接收电路与负载连接。发射电路包括发射线圈补偿电容和发射线圈，发射线圈补偿电容的一端与发射线圈的一端连接，另一端与负载端并联电容的一端连接，发射线圈的另一端与负载端并联电容的另一端连接。接收电路包括接收线圈和接收线圈补偿电容，接收线圈补偿电容的一端与接收线圈的一端连接，另一端与负载的一端连接，接收线圈的另一端与负载的另一端连接。
上述无线输电系统的控制方法，包括以下步骤：按照设定频率交替导通第一开关管和第二开关管，从而输出正弦波。
本谁请无线输电系统的改进之处具体包括：
1、针对E类逆变电路在磁耦合谐振式无线输电系统中因开关管电压应力过大，限制系统输出功率的问题，利用电路合成方法进行功率提升；
2、针对E类逆变电路在磁耦合谐振式无线输电系统因负载变化导致，软开关工作失败，系统损耗增大的问题，采用阻抗变换方法拓宽了软开关的工作负载范围；
3、分别就逆变器的输出功率和软开关工作负载范围进行了改进。将对改进后的两电路进行整合，并且进行参数设计。获得具有高效率传输情况下宽负载、大功率的MCRT-WPT电路结构。
对于第1点，双路E类逆变器是在原有E类逆变器基础上进行改进。相较于传统E类逆变器，在保持系统相同频率和输入电压情况下，因为两个开关管分担了直流母线电压，输出电压提升了2倍，输出功率同比提升了4倍。开关管S1,S2交替导通，双E类逆变电路可以看作两个传统单管E类逆变器电路的合成。其中两个滤波电感L1、L2以及两个开关管并联的旁路电容C1、C2持续不断地为负载提供谐振电流。每个开关管导通时，与之对应的并联电容将被短接，使电路成为一个传统单E类逆变电路，具体工作原理与传统E类逆变器类似。开关管S1导通、S2关断时，S1对应的并联电容被短接，开关管S1关断、S2导通时，S2对应的并联电容被短接。开关管S1和S2交替导通，输出一个正弦电压。并且每个开关管导通之前，其两端的电压都已经降为零，因此可以保证电路处于软开关工作状态，双路E类逆变电路开关损耗极低。
对于第2点，针对双路E类逆变器仅在负载小于等于最佳负载实部阻值时，逆变器工作在软开关工作状态。采用阻抗变换的方法缩小了实际负载变化时对应的等效载实部可变范围。根据阻抗变换原理得公式：
其中：ω是谐振频率，Xcp为并联电容，Xcp||Req为并联电容和并联电阻的，Req为并联电阻，Rs为等效串联电阻，Cs为等效串联电容；
Xcp具体为：
其中：Cp为电阻Req的并联电容
在电阻Req两端并联电容Cp，经推导变换可以得到如附图3右边所示电阻Rs与电容Cs串联的组合，此时实际电阻阻值Rs：
根据不等式最值原理，等效串联负载Rs当且仅当RP＝|Xcp|时存在最大值：
在不同并联电容Cp下，逆变器负载Req与等效串联电阻Rs的关系曲线。由附图4可知Req在全负载范围内，等效串联负载Rs只在固定区间变化，通过改变Cp数值可以控制等效负载Rs变化范围。
对于第3点，针对E类逆变器两处固有缺陷，分别进行了功率优化提升和软开关工作负载宽度提升。将改进后的功率优化提升电路和软开关工作负载宽度提升电路进行有机整合，可以得到改进后的适用于磁耦合谐振式无线输电系统高频电源电路，将改进后的逆变电路与传输线圈部分进行电路整合得到如附图5所示新型磁耦合谐振式无线输电系统电路结构。
改进后的双路E累逆变电路开关管S1，S2交替导通，双E类逆变电路可以看作两个传统单管E类逆变器电路的合成。以下分析以单个开关管为例，如图6所示，当开关管导通时，直流电源经扼流电感Lf全部流过开关管，C0—L0组成的谐振网络因在开关管导通之前已经充电完成，此时电路输出一个正弦波。流过开关管的电流为流经谐振网络和扼流电感的电流之和，此时谐振电路为C0—L0—R，等效电容Ceq＝C0，谐振电路的固有频率为：
其中：f1为谐振电路的固有频率，L0为谐振网络电感，C0为谐振网络电容
当开关管关闭时，因为开关管两端有并联的电容Cs，所以Cs上的电压缓慢上升，从而极大的减少了逆变器的关断损耗。并且，在开关管关断期间，C0—L0组成的谐振网络和并联电容Cs继续组成谐振电路，电流经扼流电感Lf为C0—L0谐振网络充电。当并联电容Cs上的电压降为零时，开关管导通，停止对C0—L0谐振网络充电，从而极大的减少了逆变器的开通损耗，此时谐振网络为C0-L0-R-Cs，
谐振电路的固有频率为：
等效电路为：
至此，E类逆变器完成一个周期，输出一个完整正弦波。为了使输出的正弦波形上下对称，开关管驱动信号的占空比一般取0.5，从上述分析可以看出，决定开关能否工作在零电压导通状态的主要元件为等效电容Ceq。
此时E类逆变器参数与效率公式如下：
开关管并联电容Cs为：
逆变器谐振网络等效电感Lx：
式中ω是谐振角频率，Req是逆变器等效负载。由公式可看出E类逆变器正常工作时输出部分并非为纯电阻性。
已知等效负载Req时，逆变器效率为
其中：
当系统工作角频率为ω，线圈之间互感为M时。Zs和Zr分别为发射线圈的阻抗和接收线圈的阻抗耦合因子δ＝(ωM)2。传输线圈部分等效阻抗为Zeq：
发射线圈部分和接收线圈部分同时谐振时，两线圈回路的反射阻抗最小且此时传输线圈部分阻抗仅为纯电阻阻值，即Zr＝R2+R、Zs＝R1。此时等效阻抗简化为
在磁耦合谐振式无线输电中，为保证发射线圈和接收线圈拥有同样的固有频率,参数设计一致，因而线圈在高频下具有相同的寄生电阻R1和R2。
式中σ是电导率；N是线圈匝数；b是导线半径；r是线圈半径；μ是真空磁导率。当线圈设计好后，式中参数除ω均已是定值，将δ＝(ωM)2代入式得到：
联立求解得到：
在电阻Req两端并联电容Cp，经推导变换可以得到如图3右边所示电阻Rs与电容Cs串联的组合，此时实际电阻阻值Rs：
将上述两式联立，此时的负载R与逆变器等效串联负载Rs之间的关系方程为：
此时的最大等效串联电阻为：
在已知负载原始阻值和线圈耦合因子的参数的条件下，根据上式求得的最大串联等效电阻值代入逆变器参数设计公式中(Req＝Rs)，计算并得到此时双路E类逆变器的电感、电容参数。
其中开关管并联电容计算公式：
双路E类逆变电路谐振网络Lr、Cr串联等效电感Lx：
实验采用MATLAB/Simulink软件，设置输入的直流电压Udc为200V，开关管S1、S2交替导通，触发脉冲频率为6.5MHz，MCRT-WPT初始负载R为20Ω。其他相关参数，仿真结果如图7所示，并计算得出如表1所示：
表1
| 参数 | 数值 |
| Vdc/v | 200 |
| L1,L2/uH | 350 |
| C1,C2/nF | 36.0 |
| Lr/uH | 35.8 |
| Cr/nF | 25.0 |
| Cp/nF | 32.0 |
| L3，L4/uH | 105 |
| C3,C4/nF | 6.03 |
Claims (10)
1.一种磁耦合谐振式无线输电系统，包括逆变器和传输线圈，所述逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，其特征在于，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，所述第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，所述第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，所述第一并联电容与第一开关管并联，所述第二并联电容与第二开关管并联，所述第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为MOSFET管，且其源极连接至直流电源。
3.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述谐振网络包括串联设置的谐振电感和谐振电容。
4.根据权利要求3所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述谐振电感和谐振电容之间还串联有负载端并联电容。
5.根据权利要求4所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述传输线圈包括发射电路和接收电路，所述发射电路与负载端并联电容并联，所述接收电路与负载连接。
6.根据权利要求5所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述发射电路包括发射线圈补偿电容和发射线圈。
7.根据权利要求6所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述发射线圈补偿电容的一端与发射线圈的一端连接，另一端与负载端并联电容的一端连接，所述发射线圈的另一端与负载端并联电容的另一端连接。
8.根据权利要求5所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述接收电路包括接收线圈和接收线圈补偿电容。
9.根据权利要求8所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述接收线圈补偿电容的一端与接收线圈的一端连接，另一端与负载的一端连接，所述接收线圈的另一端与负载的另一端连接。
10.一种基于权利要求1～8任一所述的无线输电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：按照设定频率交替导通第一开关管和第二开关管，从而输出正弦波。
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