CN110233522B - 基于h桥逆变器的无线能量传输装置及能量传输控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电磁感应无线能量传输技术领域，具体为一种基于H桥逆变器的无线能量传输装置及能量传输控制方法；包括H桥逆变器、电源UDC、松耦合变压器T、控制器以及负载R构成；所述H桥逆变器由开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、电容Cp、电压传感器V和电流传感器I组成，开关管S1的源极与开关管S4的源极相连、作为H桥逆变器的电源输入正极Uin+，开关管S3的漏极与开关管S6的漏极相连、作为H桥逆变器的电源输入负极Uin‑，开关管S1的漏极与开关管S2的源极相连形成C点，该装置将直流电源与谐振网络完全解耦，解决了感应耦合无线能量传输变换器与谐振槽之间频率约束的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电磁感应无线能量传输技术领域，具体为一种基于H桥逆变器的无线能量传输装置及能量传输控制方法；主要应用于感应无线能量传输，尤其适合于感应加热、电动汽车、机器人、水下电能传输等不适合接触式电能传输的应用领域，亦可用于AC-DC变换器应用中。
背景技术
常用的电能量传输一般都是通过电导体接触紧固装置或者接触式插头从电源向用电设备传递。但由于接触电阻的存在，电能量在传输过程中难免出现一些问题，尤其在一些特殊场合，接触式电能量传输可能会出现传输不良、过热燃烧等问题。因此，在许多环境场合(如粉尘、潮湿、水下)和许多专用目的(如对移动设备供电、电动汽车充电)都需要有无线电能量充电的技术手段。国内外提出了许多无线电能量传输的方法，如微波、激光、超声、电磁感应耦合等无线电能传输方法。在这些方法中，感应耦合无线能量传输方式发展最快。感应耦合无线电能量传输是基于电磁感应耦合原理：电能经变换器将直流电转变换成高频交流电驱动初级线圈，高频交流电在初级线圈产生交变磁场能量，通过电磁耦合，磁场能量被耦合到次级线圈；在次级线圈中，磁场能量被变换为高频交流电并送往负载。感应耦合无线电能量传输由于初次级线圈之间存在较大距离，且磁力线没有磁芯约束而产生大量漏磁，是典型的松耦合能量传输系统。与紧耦合能量传输系统(变压器电能量传输系统)相比，传输效率相当低。因此，感应耦合无限能量传输首要解决的问题就是传输效率低的问题。传输效率低造成能量传输系统中出现大量无功功率、产生母线环流和增加母线电源容量；大量漏磁的存在导致电应力增大、增加开关器件的选择难度和降低系统的稳定性。
采用谐振补偿的方法可解决漏磁大、无功功率大的问题。文献《Advancedmodelingof a 2-kw series-series resonating inductive charger for realelectricvehicle,"Vehicular Technology IEEE Transactions on,vol.64,no.2,pp.421-430,Feb2015》提出了一种电动汽车无线充电的设计方案，该方案分别采用谐振网络对初级、次级进行无功功率补偿，在一定程度上解决了松耦合无线能量传输系统的诸多问题。然而，该方法最大的问题在于变换器必须与谐振槽之间谐振，而由于初级线圈与次级线圈之间的关系十分复杂，实际使用时谐振槽的谐振频率始终在变化，变换器与谐振槽之间的谐振是很难实现的，如何让变换器与谐振槽之间保持谐振一直是学者们研究的问题。文献《Determiningthe variable inductance range for an LCL wireless powerpick-up,2007IEEEConference on Electron Devices and Solid-StateCircuits,Tainan,2007,pp.489-492》、《Self-Tuning Power Supply forInductive Charging,"IEEE Transactions onPower Electronics,May 2017,vol.32,no.5,pp.3467-3479》分别采用可变电感和可变电容的方法试图动态维持谐振槽谐振频率稳定，确保变换器与谐振槽的工作频率不变；文献《感应电能传输系统能量注入控制方法研究，电子科技大学学报，Vol.40No.1，2011年1月，pp:69-72》将变换器与谐振槽之间的联系分为能量注入与自由谐振两个工作模态。诸多的措施在一定程度上改善了变换器与谐振槽频率的协调，但变换器与谐振网络的谐振槽的频率必须一致的约束依然存在，感应耦合无线电能量传输的实际应用依然不很理想。
发明内容
本发明的目的提供了一种感应耦合无线能量传输装置及能量传输控制方法，该装置在工作过程中，将直流电源与谐振网络完全解耦，因此装置的工作频率不需要与谐振槽保持一致，解决了感应耦合无线能量传输变换器与谐振槽之间频率约束的问题。
基于H桥逆变器的无线能量传输装置，包括H桥逆变器、电源UDC、松耦合变压器T、控制器以及负载R构成；所述H桥逆变器由开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、电容Cp、电压传感器V和电流传感器I组成，所述开关管S1设有控制极g1；开关管S2设有控制极g2、开关管S3设有控制极g3、开关管S4设有控制极g4、开关管S5设有控制极g5、开关管S6设有控制极g6，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6分别对应一个寄生二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6；开关管S1的源极与开关管S4的源极相连、作为H桥逆变器的电源输入正极Uin+，开关管S3的漏极与开关管S6的漏极相连、作为H桥逆变器的电源输入负极Uin-，开关管S1的漏极与开关管S2的源极相连形成C点，开关管S2的漏极与开关管S3的源极相连形成A点，开关管S4的漏极与开关管S5的源极相连形成D点，开关管S5的漏极与开关管S6的源极相连形成B点，电容Cp的一端连接于C点、另一端连接于D点，电压传感器V的两个输入端分别连接在C点与D点，电流传感器I一端连接在A点，另一端作为H桥逆变器的输出端Uo+，B点作为H桥逆变器的另一个输出端Uo-；所述松耦合变压器T由初级电感L1、次级电感L2组成，初级电感L1的两端与H桥逆变器的输出端Uo+和输出端Uo-连接，次级电感L2的两端与负载R的两端连接；所述电源UDC有正极和负极，正极与H桥逆变器的电源输入正极Uin+连接、负极与H桥逆变器的电源输入负极Uin-连接；所述控制器有输入端Vin、输入端Iin、输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5和输出端g6；输入端Vin接收从电压传感器V送来的检测信号、输入端Iin接收从电流传感器I送来的检测信号，根据信号的幅值、相位物理信息，控制器分别形成六个输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5、输出端g6的控制信号，分别对应开关管的控制极g1、控制极g2、控制极g3、控制极g4、控制极g5、控制极g6。
所述初级电感L1与次级电感L2通过耦合系数k形成磁耦合通道，将初级电感中的能量送往次级。
所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6为晶体管、场效应管或IGBT管。
所述负载R为整流设备等效输入电阻、电子设备等效输入电阻或加热器等效电阻。
一种基于H桥逆变器的无线能量传输控制方法，由H桥逆变器在控制器的控制下，形成以下工作模态，根据不同的工作模态按一定组合次序周期性的依次出现：正向能量注入模态、谐振模态、截止模态、反向能量注入模态、谐振模态、截止模态再到正向能量注入模态，通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率；
1)正向能量注入模态，开关管S1、开关管S2、开关管S6导通，开关管S3、开关管S4、开关管S5关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC相连，电感电流增加，电源UDC向松耦合变压器T输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2；
2)反向能量注入模态，开关管S3、开关管S4、开关管S5导通，开关管S1、开关管S2、开关管S6关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC反向相连，电感电流反向增加，电源UDC反向向松耦合变压器T输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2；
3)谐振模态，开关管S2、开关管S5导通，开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC脱离连接，转而与电容Cp相连，初级电感L1与电容Cp形成谐振槽，松耦合变压器T中的能量在初级电感L1与电容Cp中形成谐振，一部分能量继续通过磁耦合送往次级电感L2；
4)截止模态，开关管S1、开关管S3、开关管S2、开关管S4、开关管S5、开关管S6全部关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC、电容Cp都脱离连接，松耦合变压器T中残存的能量以电场能量的形式存储在电容Cp中。
本发明技术方案的有益效果是：
1、将能量传输过程分为能量注入、谐振，截止三个模态进行；在能量注入模态中，初级电感与谐振电容分离、独自接入电源进行能量注入；在谐振模态中，初级电感与电源分离、与电容相连构成谐振槽，进行谐振。这种两级式的无线能量传输方法能将电源与谐振槽之间完全分离，解决了利用谐振补偿进行感应耦合无线电能量传输过程中变换器与谐振槽之间耦合状态复杂、容易失谐的问题；
2、利用六个开关管构成一个H桥结构，该结构通过六个开关管将感应耦合无线能量传输系统中的变换器、初级电感和谐振电容彼此隔离；工作时，通过控制开关管的开断时序，可分别工作在能量注入、谐振和截止等工作模态；由于能量注入与谐振模态在时间上相互独立，因此电源与谐振槽之间的耦合就被彻底解耦，从根本上解决了变换器与谐振槽的频率必须一致的约束问题；
3、通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率提高效率。
附图说明
图1为本发明实施例的电路拓扑示意图。
图2为本发明工作过程模态变换示意图。
图3为本发明无线能量传输控制的工作模态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参见图1，基于H桥逆变器的无线能量传输装置，包括H桥逆变器(1)、电源UDC(2)、松耦合变压器T(3)、控制器(4)以及负载R(5)构成；所述H桥逆变器(1)由开关管S1(10)、开关管S2(11)、开关管S3(12)、开关管S4(13)、开关管S5(14)、开关管S6(15)、电容Cp(16)、电压传感器V(17)和电流传感器I(18)组成，开关管S1(10)、开关管S2(11)、开关管S3(12)、开关管S4(13)、开关管S5(14)、开关管S6(15)分别对应一个寄生二极管D1(100)、二极管D2(101)、二极管D3(102)、二极管D4(103)、二极管D5(104)、二极管D6(105)；所述开关管S1(10)的源极与开关管S4(13)的源极相连、作为H桥逆变器(1)的电源输入正极Uin+，开关管S3(12)的漏极与开关管S6(15)的漏极相连、作为H桥逆变器(1)的电源输入负极Uin-，开关管S1(10)的漏极与开关管S2(11)的源极相连形成C点，开关管S2(11)的漏极与开关管S3(12)的源极相连形成A点，开关管S4(13)的漏极与开关管S5(14)的源极相连形成D点，开关管S5(14)的漏极与开关管S6(15)的源极相连形成B点，电容Cp(16)的一端连接于C点、另一端连接于D点，电压传感器V(17)的两个输入端分别连接在C点与D点，电流传感器I(18)一端连接在A点，另一端作为H桥逆变器(1)的输出端Uo+，B点作为H桥逆变器(1)的另一个输出端Uo-。
所述开关管S1(10)设有控制极g1、开关管S2(11)设有控制极g2、开关管S3(12)设有控制极g3、开关管S4(13)设有控制极g4、开关管S5(14)设有控制极g5、开关管S6(15)设有控制极g6，通过控制各控制极相对应的开关管导通或关断。
所述松耦合变压器T(3)由初级电感L1(30)、次级电感L2(31)组成，初级电感L1(30)的两端与H桥逆变器(1)的输出端Uo+和输出端Uo-连接，次级电感L2(31)的两端与负载R(5)的两端连接。
所述电源UDC(2)有正极和负极，正极与H桥逆变器(1)的电源输入正极Uin+连接、负极与H桥逆变器(1)的电源输入负极Uin-连接。
所述控制器(4)有输入端Vin(40)、输入端Iin(41)、输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5和输出端g6；输入端Vin(40)接收从电压传感器V(17)送来的检测信号、输入端Iin(41)接收从电流传感器I(18)送来的检测信号，根据信号的幅值、相位物理信息，控制器分别形成六个输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5、输出端g6的控制信号，分别对应开关管的控制极g1、控制极g2、控制极g3、控制极g4、控制极g5、控制极g6。
所述初级电感L1(30)与次级电感L2(31)通过耦合系数k形成磁耦合通道，将初级电感中的能量送往次级。
所述开关管S1(10)、开关管S2(11)、开关管S3(12)、开关管S4(13)、开关管S5(14)和开关管S6(15)为晶体管、场效应管或IGBT管。
所述负载R(5)为整流设备等效输入电阻、电子设备等效输入电阻或加热器等效电阻。
参见图3，一种基于H桥逆变器的无线能量传输控制方法，由H桥逆变器(1)在控制器(4)的控制下，形成以下工作模态，根据不同的工作模态按一定组合次序周期性的依次出现：正向能量注入模态、谐振模态、截止模态、反向能量注入模态、谐振模态、截止模态再到正向能量注入模态，通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率。
1)正向能量注入模态，开关管S1(10)、开关管S2(11)、开关管S6(15)导通，开关管S3(12)、开关管S4(13)、开关管S5(14)关断，在这个模态下，初级电感L1(30)与电源UDC(2)相连，电感电流增加，电源UDC(2)向松耦合变压器T(3)输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2(31)。
2)反向能量注入模态，开关管S3(12)、开关管S4(13)、开关管S5(14)导通，开关管S1(10)、开关管S2(11)、开关管S6(15)关断，在这个模态下，初级电感L1(30)与电源UDC(2)反向相连，电感电流反向增加，电源UDC(2)反向向松耦合变压器T(3)输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2(31)。
3)谐振模态，开关管S2(11)、开关管S5(14)导通，开关管S1(10)、开关管S3(12)、开关管S4(13)、开关管S6(15)关断，在这个模态下，初级电感L1(30)与电源UDC(2)脱离连接，转而与电容Cp(16)相连，初级电感L1(30)与电容Cp(16)形成谐振槽，松耦合变压器T(3)中的能量在初级电感L1(30)与电容Cp(16)中形成谐振，一部分能量继续通过磁耦合送往次级电感L2(31)。
4)截止模态，开关管S1(10)、开关管S3(12)、开关管S2(11)、开关管S4(13)、开关管S5(14)、开关管S6(15)全部关断，在这个模态下，初级电感L1(30)与电源UDC(2)、电容Cp(16)都脱离连接，松耦合变压器T(3)中残存的能量以电场能量的形式存储在电容Cp(16)中。
图2为本发明首选的模态组合工作周期次序转换示意图，为了清晰的表达本发明的工作状态，图2中将工作状态的器件和电路(有流过电流)用粗实线表示，没工作状态的器件和电路(无流过电流)用细虚线表示，线路中箭头方向表示电流流动方向。
参见图2a，工作周期以正向能量注入模态开始，该模态控制器输出端g1、输出端g2、输出端g6输出信号，输出端g3、输出端g4、输出端g5没输出信号，该模态松耦合变压器初级电感L1通过开关管S1、开关管S2、开关管S6与电源UDC相连，电源向初级线圈注入能量，此时一部分能量向次级传输。
参见图2b，当注入初级电感的能量达到一定水平后，进入谐振模态，该模态控制器输出端g2、输出端g5输出信号，输出端g1、输出端g3、输出端g4、输出端g6没输出信号，该模态松耦合变压器初级电感L1通过开关管S2、开关管S5与电容Cp相连，形成谐振槽。此模态电源与谐振槽完全隔离，系统开始谐振，电流双向流动，能量继续向次级传输。
参见图2c，随着谐振过程的进行，送耦合线圈初级电感中的能量下降。当初级电感的能量下降到一定水平后，系统进入截止模态，该模态控制器输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5、输出端g6全部没输出信号，松耦合变压器初级电感L1与电源UDC、电容都完全隔离，系统剩余能量以电场的形式存储在电容Cp中，电感L1电流为0，停止向次级传输能量。
参见图2d，在经过一个事先规划好持续时间的截止模态后，工作周期以反向能量注入模态开始，该模态控制器输出端g3、输出端g4、输出端g5输出信号，输出端g1、输出端g2、输出端g6没输出信号，该模态松耦合变压器初级电感L1通过开关管S3、开关管S4、开关管S5与电源UDC反向相连，电源向初级线圈反向注入能量，此时一部分能量向次级传输。
参见图2e，当注入初级电感的能量达到一定水平后，系统第二次进入谐振模态。同样，该模态控制器输出端g2、输出端g5输出信号，输出端g1、输出端g3、输出端g4、输出端g6没输出信号，该模态松耦合变压器初级电感L1通过开关管S2、开关管S5与电容Cp相连，形成谐振槽。此模态电源与谐振槽完全隔离，系统开始谐振，电流双向流动，能量继续向次级传输。
参见图2f，当随着谐振过程的进行初级电感的能量下降到一定水平后，系统再次进入截止模态，系统完成一次能量注入过程。
本发明技术方案的有益效果是：1、将能量传输过程分为能量注入、谐振，截止三个模态进行；在能量注入模态中，初级电感与谐振电容分离、独自接入电源进行能量注入；在谐振模态中，初级电感与电源分离、与电容相连构成谐振槽，进行谐振。这种两级式的无线能量传输方法能将电源与谐振槽之间完全分离，解决了利用谐振补偿进行感应耦合无线电能量传输过程中变换器与谐振槽之间耦合状态复杂、容易失谐的问题；2、利用六个开关管构成一个H桥结构，该结构通过六个开关管将感应耦合无线能量传输系统中的变换器、初级电感和谐振电容彼此隔离；工作时，通过控制开关管的开断时序，可分别工作在能量注入、谐振和截止等工作模态；由于能量注入与谐振模态在时间上相互独立，因此电源与谐振槽之间的耦合就被彻底解耦，从根本上解决了变换器与谐振槽的频率必须一致的约束问题；3、通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率提高效率。
Claims (5)
1.基于H桥逆变器的无线能量传输装置，其特征在于：包括H桥逆变器、电源UDC、松耦合变压器T、控制器以及负载R构成；所述H桥逆变器由开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、电容Cp、电压传感器V和电流传感器I组成，所述开关管S1设有控制极g1；开关管S2设有控制极g2、开关管S3设有控制极g3、开关管S4设有控制极g4、开关管S5设有控制极g5、开关管S6设有控制极g6，开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6分别对应一个寄生二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6；开关管S1的源极与开关管S4的源极相连、作为H桥逆变器的电源输入正极Uin+，开关管S3的漏极与开关管S6的漏极相连、作为H桥逆变器的电源输入负极Uin-，开关管S1的漏极与开关管S2的源极相连形成C点，开关管S2的漏极与开关管S3的源极相连形成A点，开关管S4的漏极与开关管S5的源极相连形成D点，开关管S5的漏极与开关管S6的源极相连形成B点，电容Cp的一端连接于C点、另一端连接于D点，电压传感器V的两个输入端分别连接在C点与D点，电流传感器I一端连接在A点，另一端作为H桥逆变器的输出端Uo+，B点作为H桥逆变器的另一个输出端Uo-；所述松耦合变压器T由初级电感L1、次级电感L2组成，初级电感L1的两端与H桥逆变器的输出端Uo+和输出端Uo-连接，次级电感L2的两端与负载R的两端连接；所述电源UDC有正极和负极，正极与H桥逆变器的电源输入正极Uin+连接、负极与H桥逆变器的电源输入负极Uin-连接；所述控制器有输入端Vin、输入端Iin、输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5和输出端g6；输入端Vin接收从电压传感器V送来的检测信号、输入端Iin接收从电流传感器I送来的检测信号，根据信号的幅值、相位物理信息，控制器分别形成六个输出端g1、输出端g2、输出端g3、输出端g4、输出端g5、输出端g6的控制信号，分别对应开关管的控制极g1、控制极g2、控制极g3、控制极g4、控制极g5、控制极g6。
2.根据权利要求1所述的基于H桥逆变器的无线能量传输装置，其特征在于：所述初级电感L1与次级电感L2通过耦合系数k形成磁耦合通道，将初级电感中的能量送往次级。
3.根据权利要求1所述的基于H桥逆变器的无线能量传输装置，其特征在于：所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6为晶体管、场效应管或IGBT管。
4.根据权利要求1所述的基于H桥逆变器的无线能量传输装置，其特征在于：所述负载R为整流设备等效输入电阻、电子设备等效输入电阻或加热器等效电阻。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的传输装置无线能量传输控制方法，其特征在于：根据以下不同的工作模态按组合次序周期性的依次出现：正向能量注入模态、谐振模态、截止模态、反向能量注入模态、谐振模态、截止模态再到正向能量注入模态，通过改变各个模态持续时间的比例，调节输出电压、电流和功率；
1)正向能量注入模态，开关管S1、开关管S2、开关管S6导通，开关管S3、开关管S4、开关管S5关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC相连，电感电流增加，电源UDC向松耦合变压器T输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2；
2)反向能量注入模态，开关管S3、开关管S4、开关管S5导通，开关管S1、开关管S2、开关管S6关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC反向相连，电感电流反向增加，电源UDC反向向松耦合变压器T输入能量，一部分能量通过磁耦合送往次级电感L2；
3)谐振模态，开关管S2、开关管S5导通，开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S6关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC脱离连接，转而与电容Cp相连，初级电感L1与电容Cp形成谐振槽，松耦合变压器T中的能量在初级电感L1与电容Cp中形成谐振，一部分能量继续通过磁耦合送往次级电感L2；
4)截止模态，开关管S1、开关管S3、开关管S2、开关管S4、开关管S5、开关管S6全部关断，在这个模态下，初级电感L1与电源UDC、电容Cp都脱离连接，松耦合变压器T中残存的能量以电场能量的形式存储在电容Cp中。
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