CN111464063B - 一种多负载无线输电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多负载无线输电系统，包括一个自震荡发射电路和多个接收电路；自震荡发射电路包括自震荡逆变电路及串联连接的发射线圈和发射端补偿电容，自震荡逆变电路由控制回路和全桥逆变电路组成，控制回路由电流互感器、补偿电路、比例运算放大器、过零比较器、死区生成电路和驱动电路依次串联组成；发射线圈为一个能够产生平面均匀磁场的平面盘式线圈，其匝间距从外到内逐近变大；每个接收电路由接收线圈、接收端补偿电容和负载串联组成，发射线圈与多个接收电路的接收线圈之间通过电磁耦合的方式实现电能的无线传输。本发明改善现有多负载无线输电技术存在的频率分裂现象导致的输出性能、传输特性恶化以及传输距离缩短的问题。

Description

一种多负载无线输电系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种多负载无线输电系统。
背景技术
近十年来，基于电磁谐振式耦合或电磁感应式耦合的无线输电技术取得了长足的发展。无线输电技术除了能免除导线的羁绊，为客户带来便捷生活，还有望为多个接收负载提供能量，这既节省空间又降低材料成本。然而，目前的多负载无线电能传输技术或多负载无线输电技术的研究和应用多基于前面所提的电磁谐振式耦合，而基于电磁谐振式耦合的多负载无线输电技术同样存在单负载无线输电技术中的频率分裂现象这一机理特征，该机理特征会给系统的输出性能和传输特性带来恶劣影响。一般在实际应用中，系统输出端会增加电源稳压电路来稳定输出电压，然而电源稳压电路输入电压有一定变化范围，如果输入电压偏离理想范围，则稳压电路的变换效率会明显下降，从而导致整个系统效率无法提高以及传输距离的下降。为了进一步提高效率，常见的方法是在开关管两端并联一个软开关谐振腔。不幸的是，该方法虽可行，但不适用于大多数场合下，即环境温度、电磁环境、负载或传输距离等因素的变动会导致采用该方法的系统重新回到硬开关的工作情况下。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出了一种多负载无线输电系统，能够有效改善现有多负载无线输电技术存在的频率分裂现象导致的输出性能、传输特性恶化以及传输距离缩短的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种多负载无线输电系统，包括一个自震荡发射电路和多个接收电路；所述自震荡发射电路包括一个工作在零电压开通状态下的自震荡逆变电路以及串联在一起的发射线圈和发射端补偿电容，所述自震荡逆变电路由控制回路和作为主电路的全桥逆变电路组成，所述控制回路由电流互感器、补偿电路、比例运算放大器、过零比较器、死区生成电路和驱动电路依次串联组成，其中，所述电流互感器的原边与发射线圈、发射端补偿电容串联在一起，副边与补偿电路连接，所述驱动电路产生的驱动信号控制全桥逆变电路的开关管开通和关断，从而为系统提供交变的能量；所述发射线圈为一个能够产生平面均匀磁场的平面盘式线圈，其匝间距从外到内逐近变大；每个接收电路均由接收线圈、接收端补偿电容和负载依次串联组成，所述发射线圈与多个接收电路的接收线圈之间通过电磁耦合的方式实现电能的无线传输。
进一步，所述控制回路仅需要采样电流互感器的原边电流，通过补偿电路、比例运算放大器放大信号，以及过零比较器产生一个占空比约等于0.5的方波信号，进而通过死区生成电路产生两个占空比小于0.5、电平信号相反且频率自动变化的方波信号，送给驱动电路，从而驱动全桥逆变电路的开关管；所述自震荡逆变电路通过调节控制回路的补偿电路使得全桥逆变电路的输出电压的相位稍微超前于输出电流的相位，从而实现全桥逆变电路的开关管零电压开通，提高系统效率。
进一步，所述发射线圈的匝数为7，为具有圆倒角的正方形，外径W＝310mm，以导线中间部分为基准，则从外到里相邻导线之间的匝间距分别为：d1＝3.5mm、d2＝7.0mm、d3＝14.0mm、d4＝17.5mm、d5＝24.5mm、d6＝35.0mm。
进一步，所述全桥逆变电路由直流电压源及与该直流电压源连接的4个开关管组成。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、系统简单，控制流程简洁可靠。
2、零电压开通实现难度较小，成本较低，系统效率得到改善。
3、采用匝间距可变的平面盘式线圈，接收电路放置自由度得到提高，系统体积更小。
4、相比于谐振式多负载无线输电技术，本发明的系统性能对传输距离、负载以及接收线圈之间的交叉耦合等工作条件的敏感度大大下降。
附图说明
图1为本发明所述多负载无线输电系统的电路图。
图2为本实施例提供的三负载无线输电系统示意图。
图3为本实施例提供的平面盘式线圈示意图。
图4为本实施例的当发射线圈与接收线圈平行放置，且传输距离为5mm时，发射线圈(TX)与接收线圈(RX)之间互感(M)的变化曲线，互感(M)的单位为微亨利(μH)；(a)为当发射线圈(TX)与接收线圈(RX)在横向之间的距离(ρ)变化时，互感(M)的变化曲线，(b)为当发射线圈(TX)与接收线圈(RX)在对角线方向上之间的距离(ρ1)变化时，互感(M)的变化曲线；图上正负号表示接收线圈的移动方向，正号(+)表示正方向，负号(-)表示反方向。
图5为本实施例的负载输出电压和系统传输效率与传输距离之间的关系曲线；(a)、(b)、(c)分别为第一个接收电路输出电压(Vrec1)、第二个接收电路输出电压(Vrec2)、第三个接收电路输出电压(Vrec3)与传输距离(s)之间的关系曲线，(d)为系统传输效率(η)与传输距离(s)之间的关系曲线，输出电压的单位为伏特(V)，传输距离的单位为毫米(mm)。
图6为本实施例的负载输出电压和系统传输效率与负载电阻值之间的关系曲线；(a)、(b)、(c)分别为第一个接收电路输出电压(Vrec1)、第二个接收电路输出电压(Vrec2)、第三个接收电路输出电压(Vrec3)与负载电阻值(Rdc)之间的关系曲线，(d)为系统传输效率(η)与负载电阻值(Rdc)之间的关系曲线，输出电压的单位为伏特(V)，负载电阻值的单位为欧姆(Ω)。
具体实施方式
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的多负载无线输电系统，包括一个自震荡发射电路和多个接收电路；所述自震荡发射电路包括一个工作在零电压开通状态下的自震荡逆变电路以及串联在一起的发射线圈LT和发射端补偿电容CT，所述自震荡逆变电路由控制回路和作为主电路的全桥逆变电路组成，所述控制回路由电流互感器1、补偿电路2、比例运算放大器3、过零比较器4、死区生成电路5和驱动电路6依次串联组成，其中，所述电流互感器1的原边与发射线圈LT、发射端补偿电容CT串联在一起，副边与补偿电路2连接，所述驱动电路6产生的驱动信号控制全桥逆变电路的开关管开通和关断，从而为系统提供交变的能量，所述全桥逆变电路由直流电压源Vdc及与该直流电压源Vdc连接的4个开关管S1、S2、S3、S4组成；所述发射线圈LT为一个能够产生平面均匀磁场的平面盘式线圈，其匝间距从外到内逐渐变大；每个接收电路均由接收线圈LRN、接收端补偿电容CRN和负载ZRecN依次串联组成，所述发射线圈LT与多个接收电路的接收线圈LRN之间通过电磁耦合的方式实现电能的无线传输。
本发明的工作原理为：利用自震荡逆变电路为无线输电系统提供能量，发射线圈LT和多个接收线圈LRN通过电磁耦合的方式实现电能的无线传输；在自震荡逆变电路中的电流互感器1和比例运算放大器3之间串联一个补偿电路2，使得驱动电路6驱动信号超前于发射线圈LT所通过电流信号，从而保证全桥逆变电路输出电压信号uin超前于输出电流信号iT，从而可实现全桥逆变电路的开关管的零电压开通，降低开关损耗，提高系统效率；全桥逆变电路工作频率随系统工作条件自动改变，近似跟踪频率分裂点，因此提高系统输出能量和传输特性；发射线圈采用匝间距从外到内逐渐变大的平面盘式线圈，产生平面均匀磁场，改善因不同接收电路的接收线圈与发射电路的发射线圈耦合强度相差较大而带来的输出功率不均的问题，提高接收电路的放置自由度，所设计的发射线圈产生均匀磁场的效果可由发射线圈与接收线圈之间互感在同一平面上的变化所展现，如图4所示，当发射线圈与接收线圈平行放置，且传输距离为5mm时，发射线圈与接收线圈之间互感沿着发射线圈中心横向轴线的变化曲线见图4中(a)所示，发射线圈与接收线圈之间互感沿着发射线圈对角轴线的变化曲线见图4中(b)所示。
下面我们以三负载无线输电系统为例进行具体说明。
如图2所示，所述三负载无线输电系统包括一个自震荡发射电路和三个接收电路，同样，自震荡发射电路包括一个工作在零电压开通状态下的自震荡逆变电路以及串联在一起的发射线圈LT和发射端补偿电容CT，发射线圈LT与三个接收电路的接收线圈LRN之间通过电磁耦合的方式实现电能的无线传输。该三负载无线输电系统的控制方面仅需要采样电流互感器1的原边电流，通过补偿电路2、比例运算放大器3放大信号，以及过零比较器4产生一个占空比约等于0.5的方波信号，进而通过死区生成电路5产生两个占空比小于0.5、电平信号相反且频率自动变化的方波信号，送给驱动电路6，进而驱动全桥逆变电路的开关管；自震荡逆变电路通过调节控制回路的补偿电路2使得全桥逆变电路的输出电压uin的相位稍微超前于输出电流iT的相位，即可实现全桥逆变电路的开关管零电压开通，提高系统效率。
如图3所示，本实施例提供的三负载无线输电系统，其发射线圈的匝数为7，为具有圆倒角的正方形，外径W＝310mm，以导线中间部分为基准，则从外到里相邻导线之间的匝间距分别为：d1＝3.5mm、d2＝7.0mm、d3＝14.0mm、d4＝17.5mm、d5＝24.5mm、d6＝35.0mm。
本实施例提供的三负载无线输电系统，其耦合模模型可表示如下：
式中，aT、aR1、aR2、aR3分别表示自震荡发射电路、第一个接收电路、第二个接收电路以及第三个接收电路的能量模；gT为全桥逆变电路的增益率；ΓT、ΓR1、ΓR2、ΓR3分别为自震荡发射电路、第一个接收电路、第二个接收电路以及第三个接收电路的损耗率；ωT、ωR1、ωR2、ωR3分别为自震荡发射电路、第一个接收电路、第二个接收电路以及第三个接收电路的固有频率，且令ωT＝ωR1＝ωR2＝ωR3＝ω0；κ11、κ12、κ13分别为发射线圈与各个接收线圈的耦合率，且κR12、κR13、κR23分别为各个接收线圈之间的交叉耦合，且/>
因此，第一个接收电路、第二个接收电路以及第三个接收电路所得到的功率，以及系统传输效率表示如下：
PR1＝2ΓR1|aR1|2 (2)
PR2＝2ΓR2|aR2|2 (3)
PR3＝2ΓR3|aR3|2 (4)
第一个接收电路、第二个接收电路以及第三个接收电路的输出电压分别表示如下：
假设接收线圈外径/内径为114mm/64mm，平面密绕螺旋结构，则发射线圈与接收线圈之间相距5mm时，它们之间的互感随径向距离变化如图4所示，当发射线圈与接收线圈平行放置，且传输距离为5mm时，发射线圈TX与接收线圈RX之间互感M的变化曲线，互感M的单位为微亨利μH；(a)为当发射线圈TX与接收线圈RX在横向之间的距离ρ变化时，互感M的变化曲线，(b)为当发射线圈TX与接收线圈RX在对角线方向上之间的距离ρ1变化时，互感M的变化曲线；图上正负号表示接收线圈的移动方向，正号+表示正方向，负号-表示反方向；全桥逆变电路中直流电压源的电压Vdc＝21V；发射线圈电感值LT＝21.54μH、发射端补偿电容CT＝1.19nF、发射线圈寄生内阻为rT＝248.00mΩ；第一个接收电路的接收线圈电感值、寄生内阻、接收端补偿电容和等效负载分别为LR1＝16.69μH、rR1＝182.98mΩ、CR1＝1.54nF、ZRec1＝8Ω；第二个接收电路的接收线圈电感值、寄生内阻、接收端补偿电容和等效负载分别为LR2＝17.03μH、rR2＝182.13mΩ、CR2＝1.54nF、ZRec2＝8Ω；第三个接收电路的接收线圈电感值、寄生内阻、接收端补偿电容和等效负载分别为LR3＝16.61μH、rR3＝176.83mΩ、CR3＝1.54nF、ZRec3＝8Ω；此时，发射线圈与各个接收线圈平行放置且距离相同，则系统各个负载输出电压和系统传输效率随传输距离的变化曲线如图5所示，(a)、(b)、(c)分别为第一个接收电路输出电压VRec1、第二个接收电路输出电压VRec2、第三个接收电路输出电压VRec3与传输距离s之间的关系曲线，(d)为系统传输效率η与传输距离s之间的关系曲线，输出电压的单位为伏特V，传输距离s的单位为毫米mm；而当发射线圈与各个接收线圈平行放置且距离相同，均为5mm时，负载电阻值从10Ω增大到100Ω，且每个负载电阻值时刻保持相同时，相应的负载输出电压和系统传输效率的变化曲线如图6所示，(a)、(b)、(c)分别为第一个接收电路输出电压VRec1、第二个接收电路输出电压VRec2、第三个接收电路输出电压VRec3与负载电阻值Rdc之间的关系曲线，(d)为系统传输效率η与负载电阻值Rdc之间的关系曲线，输出电压的单位为伏特V，负载电阻值的单位为欧姆Ω。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多负载无线输电系统，其特征在于：包括一个自震荡发射电路和多个接收电路；所述自震荡发射电路包括一个工作在零电压开通状态下的自震荡逆变电路以及串联在一起的发射线圈(LT)和发射端补偿电容(CT)，所述自震荡逆变电路由控制回路和作为主电路的全桥逆变电路组成，所述控制回路由电流互感器(1)、补偿电路(2)、比例运算放大器(3)、过零比较器(4)、死区生成电路(5)和驱动电路(6)依次串联组成，其中，所述电流互感器(1)的原边与发射线圈(LT)、发射端补偿电容(CT)串联在一起，副边与补偿电路(2)连接，所述驱动电路(6)产生的驱动信号控制全桥逆变电路的开关管开通和关断，从而为系统提供交变的能量；所述发射线圈(LT)为一个能够产生平面均匀磁场的平面盘式线圈，其匝间距从外到内逐渐变大；每个接收电路均由接收线圈(LRN)、接收端补偿电容(CRN)和负载(ZRecN)依次串联组成，所述发射线圈(LT)与多个接收电路的接收线圈(LRN)之间通过电磁耦合的方式实现电能的无线传输；
所述控制回路仅需要采样电流互感器(1)的原边电流，通过补偿电路(2)、比例运算放大器(3)放大信号，以及过零比较器(4)产生一个占空比等于0.5的方波信号，进而通过死区生成电路(5)产生两个占空比小于0.5、电平信号相反且频率自动变化的方波信号，送给驱动电路(6)，从而驱动全桥逆变电路的开关管；所述自震荡逆变电路通过调节控制回路的补偿电路(2)使得全桥逆变电路的输出电压(uin)的相位超前于输出电流(iT)的相位，从而实现全桥逆变电路的开关管零电压开通，提高系统效率。
2.根据权利要求1所述的一种多负载无线输电系统，其特征在于：所述发射线圈的匝数为7，为具有圆倒角的正方形，外径W＝310mm，以导线中间部分为基准，则从外到里相邻导线之间的匝间距分别为：d1＝3.5mm、d2＝7.0mm、d3＝14.0mm、d4＝17.5mm、d5＝24.5mm、d6＝35.0mm。
3.根据权利要求1所述的一种多负载无线输电系统，其特征在于：所述全桥逆变电路由直流电压源(Vdc)及与该直流电压源(Vdc)连接的4个开关管(S1、S2、S3、S4)组成。
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