CN110535250A - 一种无线能量传输系统和能量传输方法 - Google Patents

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CN110535250A CN201910495928.4A CN201910495928A CN110535250A CN 110535250 A CN110535250 A CN 110535250A CN 201910495928 A CN201910495928 A CN 201910495928A CN 110535250 A CN110535250 A CN 110535250A
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李芳义
邓占锋
李卫国
赵国亮
石秋雨
刘海军
徐云飞
乔光尧
康伟
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Abstract

本发明涉及一种无线能量传输系统和能量传输方法，所述系统包括：能量源及布置于同一水平线的n级中继单元；所述n级中继单元中的第一级中继单元与能量源的输出端连接；所述n级中继单元中的第一级中继单元，用于接收所述能量源发送的能量并将该能量传递至下一级中继单元；所述n级中继单元中各级中继单元之间通过谐振方式进行非接触式能量传递；其中，n为大于2的正整数。本发明提供的无线能量传输系统，不仅能够提高输电效率还能满足高绝缘要求，保证供电安全。

Description

一种无线能量传输系统和能量传输方法
技术领域
本发明涉及柔性输电领域，具体涉及一种无线能量传输系统和能量传输方法。
背景技术
在柔性交流输电系统中，高压大功率电力电子设备通常需要多个电力电子开关器件串联起来连接到母线中以支撑较高的母线电压，但是，这些电力电子开关器件的驱动电源需要有效隔离。和传统的功能方式不同，无线送能技术通过磁场或电场传输能量，而无需直接接触，因此可以大大提高系统的绝缘等级，因此适合为柔性交流输电系统的电力电子开关器件提供隔离的供电电源。
在传统的无线能量传输系统中，只有一个发送线圈和一个接收线圈，这种单一路径的能量传输方式并不适用于柔性交流输电系统中需要为多个负载供电的要求，因此，需要提供一种使用多个中继线圈进行能量无线传输的系统为多个负载供电。然而，这种形式的无线能量传输系统中，每个负载接收到的能量和负载的电阻大小有关，各个负载的功率调节是互相耦合的，这就给负载的功率控制带来了难度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提高输电效率、满足高绝缘要求、保证供电安全。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种无线能量传输系统，其改进之处在于，所述系统包括：能量源及布置于同一水平线的n级中继单元；
所述n级中继单元中的第一级中继单元与能量源的输出端连接；
所述n级中继单元中的第一级中继单元，用于接收所述能量源发送的能量并将该能量传递至下一级中继单元；
所述n级中继单元中各级中继单元之间通过谐振方式进行非接触式能量传递；
其中，n为大于2的正整数。
优选的，所述n级中继单元中各中继单元间的距离相等。
优选的，所述中继单元包括：依次布置于同一水平线的第一能量闭环回路、铁氧体和第二能量闭环回路。
进一步的，所述第一能量闭环回路由第一中继线圈和与所述第一中继线圈连接的电容组成；
所述第二能量闭环回路由依次连接的第二中继线圈、电容和负载组成；
所述第一中继线圈，用于通过谐振方式将接收到的能量传递至所述第二中继线圈；
所述第二中继线圈，用于为所述柔性交流系统中的负载提供能量并通过谐振方式将剩余能量传递至下一级中继单元的第一中继线圈。
进一步的，所述铁氧体放置于所述第一能量闭环回路和所述第二能量闭环回路的中间处。
进一步的，所述第一中继线圈和所述第二中继线圈采用双极性线圈结构。
优选的，所述能量源由直流母线电压和与所述直流母线电压连接的H桥逆变器组成。
进一步的，所述H桥逆变器包括：
第一MOSFET、第一二极管D1、第二MOSFET、第二二极管D2、、第三MOSFET、第三二极管D3、第四MOSFET、第四二极管D4；
所述第一MOSFET的漏极与第一二极管D1的负极连接；
所述第二MOSFET的漏极与第二二极管D2的负极连接；
所述第三MOSFET的漏极与第三二极管D3的负极连接；
所述第四MOSFET的漏极与第四二极管D4的负极连接；
所述第一MOSFET的源极和所述第三MOSFET的漏极连接且第一MOSFET的源极和第三MOSFET的漏极的连接点为第一输出端；
所述第二MOSFET的源极和所述第四MOSFET的漏极连接且第二MOSFET的源极和所述第四MOSFET的漏极的连接点为第二输出端。
一种如上述的无线能量传输系统的能量传输方法，其改进之处在于，所述方法包括：
布置于同一水平线的n级中继单元通过谐振方式将能量源的能量传输至布置于同一水平线的n级中继单元中第n级中继单元。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供了一种无线能量传输系统，包括：能量源及布置于同一水平线的n级中继单元；由于无线能量传输系统的发送电路进而接收电路没有直接的物理接触，所以该方案能够满足高绝缘的要求，保证供电的安全性；
本发明提供的中继单元由第一能量闭环回路、铁氧体和第二能量闭环回路构成；第一能量闭环回路不接负载，只负责将能量传输给下一线圈，这样的结构可以在第二能量闭环回路中获得恒定的电流幅值且与电阻大小无关，保证负载功率可以灵活独立可调，不会相互影响；每个能量闭环回路中均采用电容进行串联补偿，构成谐振电路，可以提高系统的输电效率；第一能量闭环回路和第二能量闭环回路中插入铁氧体，既可以有效抑制磁场泄露，又可以体征线圈之间的耦合系数。
附图说明
图1是本发明提供的一种无线能量传输系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的中继单元结构示意图；
图3是本发明实施例提供的无线能量传输系统的能量流动示意图；
图4是本发明实施例提供的8个中继单元连接至相等的负载电阻时的负载功率；
图5是本发明实施例提供的8个中继单元连接至不相等的负载电阻时负载电流幅值。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种无线能量传输系统，包括：
能量源及布置于同一水平线的n级中继单元；
所述n级中继单元中的第一级中继单元与能量源的输出端连接；
所述n级中继单元中的第一级中继单元，用于接收所述能量源发送的能量并将该能量传递至下一级中继单元；
所述n级中继单元中各级中继单元之间通过谐振方式进行非接触式能量传递；
其中，n为大于2的正整数。
例如，如图1所示，能量源由直流母线电压Vdc和与所述直流母线电压连接的H桥逆变器组成，线圈_11是初始的发送线圈，连接到H桥逆变器上，它从逆变器获取能量，并将能量传输给之后的线圈。线圈_n2是最后一个线圈，从前一个线圈中获取能量。在线圈_11和线圈_n2之间的其余线圈不仅作为接收线圈从前一级接收能量，还作为发送线圈将能量发送到下一级线圈。因此，能量是以一级一级的形式传递下去。此外，负载只连接到偶数号线圈上，并从这些线圈中获取能量，如线圈_12、线圈_22等；而奇数号线圈并没有连接负载，如线圈21、线圈31等。这样的拓扑结构可以使得流过偶数线圈的电流幅值恒定且和负载无关。因此，一个负载的变化不会影响到其他负载上获得的功率，这意味着各个负载功率可以灵活独立地进行调节。
本发明提供的一个实施例中所述n级中继单元中各中继单元间的距离可以相等。
进一步的，所述中继单元包括：依次布置于同一水平线的第一能量闭环回路、铁氧体和第二能量闭环回路。
所述第一能量闭环回路由第一中继线圈和与所述第一中继线圈连接的电容组成；
所述第二能量闭环回路由依次连接的第二中继线圈、电容和负载组成；
例如，如图2所示，本发明中依次布置于同一水平线的第一能量闭环回路和第二能量闭环回路之间放置铁氧体，线圈采用双极性结构，因为这种结构对于线圈位置偏移的鲁棒性较强。由于铁氧体的磁隔离作用，线圈_11和线圈_12之间的耦合系数会降低，而线圈_12和线圈_21由于放在两个铁氧体之间，它们之间的耦合系数会增强。因此，本发明提供的所述铁氧体为形状和大小均可调的铁氧体，可以通过调节铁氧体的形状和大小，在相邻两个线圈之间获得相同的耦合系数，同时，非相邻的线圈之间的耦合系数会由于铁氧体的隔磁作用进一步衰弱。
本发明提供的实施例中各中继单元的第二能量闭环回路可以为柔性交流输电系统中高压大功率电力电子设备中的二次电路负载提供能量，因此，本发明中所述负载可以包括电力电子装置内部的驱动电路、子单元控制电路等。
如图3所示，所述第一中继线圈，用于通过谐振方式将接收到的能量传递至所述第二中继线圈；所述第二中继线圈，用于为所述柔性交流系统中电力电子设备的二次电路提供能量并通过谐振方式将剩余能量传递至下一级中继单元的第一中继线圈。
例如，所述铁氧体放置于所述第一能量闭环回路和所述第二能量闭环回路的中间处。
所述第一中继线圈和所述第二中继线圈采用双极性线圈结构，因为这种结构对于线圈位置偏移的鲁棒性较强。
所述能量源由直流母线电压Vdc和与所述直流母线电压连接的H桥逆变器组成。
所述H桥逆变器包括：
第一MOSFET_S1、第一二极管D1、第二MOSFET_S2、第二二极管D2、第三MOSFET_S3、第三二极管D3、第四MOSFET_S4、第四二极管D4；
所述第一MOSFET的漏极与第一二极管D1的负极连接；
所述第二MOSFET的漏极与第二二极管D2的负极连接；
所述第三MOSFET的漏极与第三二极管D3的负极连接；
所述第四MOSFET的漏极与第四二极管D4的负极连接；
所述第一MOSFET的源极和所述第三MOSFET的漏极连接且第一MOSFET的源极和第三MOSFET的漏极的连接点为第一输出端；
所述第二MOSFET的源极和所述第四MOSFET的漏极连接且第二MOSFET的源极和所述第四MOSFET的漏极的连接点为第二输出端。
例如，直流母线电压Vdc通过H桥逆变器产生高频交变电压接到线圈_11上后将能量传输给之后的线圈，因此，能量是以一级一级的形式传递下去；当相邻线圈互感相等时，所有偶数号线圈，如线圈_12、线圈_22……线圈_n2中流过的电流均有相等的电流幅值。
基于上述系统的同一构思，本发明还提供一种能量传输方法，所述方法包括：
布置于同一水平线的n级中继单元通过谐振方式将能量源的能量传输至布置于同一水平线的n级中继单元中第n级中继单元。
为了验证本发明无线能量传输系统的有效性，建立了含有8个中继单元的仿真模型，使用电阻作为负载进行验证，图4给出了8个中继单元连接至相等的负载电阻时的负载功率。按照上述内容，负载电流的幅值相等，因此8个负载功率也应当相等，图4中的仿真结果验证了这个结论，每个负载均可以获得幅值为300W的功率。图5给出了当负载电阻不同时偶数号线圈中的负载电流。可以看出，尽管负载电阻不相等，负载电流的幅值依然相等。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线能量传输系统，其特征在于，所述系统包括：能量源及布置于同一水平线的n级中继单元；
所述n级中继单元中的第一级中继单元与能量源的输出端连接；
所述n级中继单元中的第一级中继单元，用于接收所述能量源发送的能量并将该能量传递至下一级中继单元；
所述n级中继单元中各级中继单元之间通过谐振方式进行非接触式能量传递；
其中，n为大于2的正整数。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述n级中继单元中各中继单元间的距离相等。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述中继单元包括：依次布置于同一水平线的第一能量闭环回路、铁氧体和第二能量闭环回路。
4.如权利要求3所的系统，其特征在于，所述第一能量闭环回路由第一中继线圈和与所述第一中继线圈连接的电容组成；
所述第二能量闭环回路由依次连接的第二中继线圈、电容和负载组成；
所述第一中继线圈，用于通过谐振方式将接收到的能量传递至所述第二中继线圈；
所述第二中继线圈，用于为所述负载提供能量并通过谐振方式将剩余能量传递至下一级中继单元的第一中继线圈。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述铁氧体放置于所述第一能量闭环回路和所述第二能量闭环回路的中间处。
6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一中继线圈和所述第二中继线圈采用双极性线圈结构。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量源由直流母线电压和与所述直流母线电压连接的H桥逆变器组成。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述H桥逆变器包括：
第一MOSFET、第一二极管D1、第二MOSFET、第二二极管D2、、第三MOSFET、第三二极管D3、第四MOSFET、第四二极管D4；
所述第一MOSFET的漏极与第一二极管D1的负极连接；
所述第二MOSFET的漏极与第二二极管D2的负极连接；
所述第三MOSFET的漏极与第三二极管D3的负极连接；
所述第四MOSFET的漏极与第四二极管D4的负极连接；
所述第一MOSFET的源极和所述第三MOSFET的漏极连接且第一MOSFET的源极和第三MOSFET的漏极的连接点为第一输出端；
所述第二MOSFET的源极和所述第四MOSFET的漏极连接且第二MOSFET的源极和所述第四MOSFET的漏极的连接点为第二输出端。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的无线能量传输系统的能量传输方法，其特征在于，所述方法包括：
布置于同一水平线的n级中继单元通过谐振方式将能量源的能量传输至布置于同一水平线的n级中继单元中第n级中继单元。
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