CN111628579A - 利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统 - Google Patents

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    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
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Abstract

本发明利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，本发明体现在电能的接收侧。发明部分主要包括并联铁磁谐振电路和串联阻抗补偿电容。并联铁磁谐振电路包括磁饱和电抗器和与之并联的线性电容。由于磁饱和电抗器的非线性特性，当并联电压上升到某值时，饱和电抗器的电流与并联电容的电流有效值相等而相位相反，即发生了并联铁磁谐振。在本发明中，并联铁磁谐振电路的设计使得在额定输出电压范围内，并联铁磁谐振电路显感性，即越过谐振状态。串联阻抗补偿电容用来补偿接收线圈的自感电抗，补偿后的总电抗显感性。本发明能够达到输出电压的自稳定效果，并且无需任何反馈技术，无需采用开关器件，避免使用隔离电源。

Description

利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输 系统
技术领域
本发明提出了一种利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，属于电力工程领域。
背景技术
无线电能传输技术是指无需导线连接便可传输电能的技术，在为移动设备充电方面，表现出很好的应用前景。但是，由于移动设备的工作特点，在每次使用无线电能传输技术进行充电时，总会使得发射线圈与接收线圈的相对位置关系存在差异，从而影响接收线圈的感应电动势和最终的输出电压。类似地，当系统偏离了原本设计好的阻抗匹配条件导致系统固有频率发生变化，或者发射电源的频率出现波动，以及负载发生改变时，也会影响接收回路的输出电压。而对大多数移动设备来说，总是希望无线电能传输系统能够为其提供稳定的工作电压。因此，如何提高无线电能传输系统抵抗由于上述原因导致的输出电压波动，是促进无线电能传输系统实用化的重要需求。
针对此需求，目前的一般方法是采用反馈技术，即根据输出电压的波动情况，来改变发射电源的输出电压。这种技术的不足之处是，需要对输出电压进行检测，并通过无线的方式反向反馈到发射侧，再通过调节逆变电源的占空比，以改变发射电源的输出电压。另一种方法是在接收侧采用可控整流技术，或者DC/DC变换技术，这些技术的反馈仅限于接收侧，无需信号的反向无线传输。但由于采用了开关器件，不可避免地要使用隔离电源，这对原本没有电源的接收侧来说是不方便的和不实际的。
为此，本发明提出了一种使用铁磁谐振原理来自动稳定无线电能传输系统输出电压的一种方法，它无需任何反馈技术。
发明内容
为解决上述问题，本发明利用非线性的饱和电抗器与线性电容器构成并联铁磁谐振电路，以及接收线圈的自感电抗和串联阻抗补偿电容，来稳定输出电压。在接收侧无开关器件及其所需要的驱动系统。本发明包括并联铁磁谐振电路和与接收线圈相串联的阻抗补偿电容。并联铁磁谐振电路包括磁饱和电抗器，以及与之并联的线性电容，该电路并接于串联阻抗补偿电容的后面。系统在额定电压范围内工作时，并联铁磁谐振电路显感性，并且串联阻抗补偿后，接收线圈与串联补偿电容的总电抗也显感性。它们分压后为负载提供输出电压。由于磁饱和电抗器具有电压饱和特点，达到饱和的电抗器端电压受互感电动势波动和负载波动的影响很小，因而能够从物理原理上达到自动稳定输出电压的效果。
本发明的技术方案如下：
利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，包括高频电能发射电源、发射端阻抗补偿电路、可分离的耦合线圈、串联阻抗补偿电容CS、铁磁谐振电路和高频整流滤波电路。
所述的高频电能发射电源与发射端阻抗补偿电路、可分离的耦合线圈的一侧依次相连；可分离的耦合线圈的输出端接入串联阻抗补偿电容CS，然后再接入铁磁谐振电路，铁磁谐振电路的两端与高频整流滤波电路相连。
所述的铁磁谐振电路采用磁饱和非线性电抗器和线性电容并联连接，该电路会发生铁磁谐振现象。所述的铁磁谐振电路并联于串联阻抗补偿电容CS之后。
所述的串联阻抗补偿电容CS，是指与接收线圈输出端串联连接的电容，用于部分地补偿接收线圈的自感电抗，以便提高接收线圈互感电动势的利用率。补偿后的总电抗仍显感性。
所述磁饱和非线性电抗器，是指以磁性材料为磁路的电感线圈，并且工作在磁性材料的饱和区段，因此它的交流电抗是非线性的，与工作电压有关，属于非线性电抗器。在磁饱和区段，从磁路上看，磁通密度不明显地随磁场强度的变化而变化；从线圈端口上看，磁饱和电抗器的端电压不明显地随电流的变化而变化，即电压具有自稳定性。
所述的铁磁谐振现象，是指当铁磁谐振电路的并联电压有效值为某量值时，饱和电抗器的感性电纳与并联电容的容性电纳刚好抵消，它们的电流也刚好抵消，并联后的总电纳和总电流都趋于零。铁磁谐振现象是针对某一电压有效值发生的谐振现象，完全不同于针对某频率发生的谐振现象。只有使用非线性电抗器才能发生铁磁谐振现象。铁磁谐振电路的参数设计至关重要，其电压和电流要达到饱和状态，但又不能饱和过深，否则电流波形畸变严重。
所述线性电容C，它与磁饱和非线性电抗器并联，其电流有效值随电压有效值按正比关系变化，因此是线性的。
线性电容C参数的设计要求如下：在工作频率下，当并联电压较小时，电容电流大于饱和电抗器的电流，并联部分显容性。随着并联电压的增加，饱和电抗器的电流会经过谐振点后超过电容电流，并联部分显感性。达到额定输出电压时，在接收线圈自感的配合下，互感电动势的较大变化，只会导致输出电压的很小变化，达到输出电压的自稳定效果。
本发明的有益效果：
本发明能够达到输出电压的自稳定效果，并且无需任何反馈技术。无需采用开关器件，避免使用隔离电源。
附图说明
图1是本发明利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统的原理图。
图2是饱和电抗器示例。
图3是图1的简化电路模型。
图4是基于等值正弦量原理获得的主要部分伏安特性曲线。
图5是电压转移特性曲线的计算示例(横轴为输入电压，纵轴为输出电压，单位V)。
具体实施方案
下面结合说明书附图和技术方案，对本发明的具体实施方案作详细说明。
图1是一种利用铁磁原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统原理图。包括高频电能发射电源，发射端阻抗补偿电路，可分离的耦合线圈，串联阻抗补偿电容CS，铁磁谐振电路，高频整流滤波电路，以及直流负载。通过电磁感应原理，在接收线圈中产生互感电动势，并通过接收线圈自感和串联阻抗补偿电容CS，作用到铁磁谐振电路。LF是饱和电抗器，C是组成并联铁磁谐振电路的线性电容。
图2是饱和电抗器示例。它由软磁材料的磁路和线圈组成，设计原则见下面的“部分设计说明”。
部分设计说明
饱和电抗器LF的设计方法：根据稳定电压的工作原理，饱和电抗器的饱和电压设计成小于负载的额定电压，工作点电压大于磁饱和谐振点电压。由此便得到非线性电抗器的伏安特性曲线①(如图4所示)。选择软磁材料，根据磁化曲线、物理空间、工作频率、工作电流，设计磁芯横截面积、长度、线圈匝数和线径。
串联阻抗补偿电容CS的设计方法：串联补偿电容是为了必要时补偿一部分接收线圈的自感电抗XL1，以增加感应电动势的利用率。否则，由于自感电压的存在，使得可利用的电动势减小。电容补偿后，自感电抗与串联电容的电抗总体上仍需显感性，总电抗为XL1-XCs。它决定了曲线⑤(如图4所示)中直线段的斜率。也就是由曲线⑤中直线段的斜率，可以得到XL1-XCs的值，再由接收线圈的自感电抗XL1，便可得到串联补偿电容的电抗XCs，进而根据工作频率计算出串联阻抗补偿电容CS。
图3是分析该无线电能传输系统用到的电路模型，其中使用了等值正弦波原理，即用正弦量近似代替非正弦量，从而使用相量法进行分析。图中Ls为接收线圈等效自感；CS为串联阻抗补偿电容；LF为饱和电抗器等效电感；它是非线性电感；C是并联铁磁谐振电路的线性电容；Req是从高频整流滤波电路看进去的等效负载电阻。
图4是本无线电能传输系统主要部分的伏安特性曲线，其中曲线①是饱和电抗器LF的伏安特性；曲线②是线性电容C的伏安特性，它与曲线①相交于Q点，即并联铁磁谐振点；曲线③是饱和电抗器与线性电容并联后的伏安特性(即铁磁谐振电路的伏安特性)，在谐振点，并联后的总电流为零，故该曲线交纵轴于UQ点。曲线④是铁磁谐振电路与负载并联后的伏安特性，其中的直线段斜率代表了输出电压变化量与并联总电流变化量之间的关系，直线越平坦，电流变化引起的电压变化便越小，电压越稳定。曲线⑤是接收侧总电流与互感电动势(或开路电压)的伏安特性，其中直线段斜率代表了互感电动势变化量与接收线圈电流变化量之间的关系，直线越陡直，互感电动势的变化(例如可分离的耦合线圈没有对准)引起的接收线圈电流的变化便越小。由图3可见，当各种扰动使得接收线圈的互感电动势发生ΔUin的变化时，导致输出电压的变化仅为ΔUo。由于曲线⑤中直线段的斜率大于曲线④中直线段的斜率，所以输出电压的变化远小于接收线圈互感电动势的变化，由此输出电压变得更加平稳。
饱和电抗器饱和越深，或接收线圈自感越大，输出电压的相对变化便越小，电压越稳定。然而，饱和电抗器饱和越深，非线性电抗器的电流失真便越严重，从而导致电压波形的失真和谐波损耗增加。接收线圈自感越大，电压损失越大，电压增益就会下降。设计时需折中考虑上述正、反两方面的问题。
图5是输出电压与互感电动势之间的电压转移特性。在工作范围具有较为平坦的特征，说明输出电压的变化远小于互感电动势的变化。
本发明的系统的输出电压大于并联铁磁谐振对应的并联电压，这时并联部分的伏安特性会变得比较平直，输出电压变得更加稳定。
利用串联阻抗补偿电容部分地补偿接收线圈的自感电抗，补偿后的总电抗显感性，该电抗与并联铁磁谐振电路一起，才能用来稳定输出电压。补偿后总电抗的大小，决定了互感电动势变化对输出电压的影响程度。

Claims (5)

1.利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，包括高频电能发射电源、发射端阻抗补偿电路和高频整流滤波电路，其特征在于，还包括可分离的耦合线圈、串联阻抗补偿电容CS和铁磁谐振电路；
所述的高频电能发射电源与发射端阻抗补偿电路、可分离的耦合线圈的输入端依次相连；可分离的耦合线圈的输出端连接串联阻抗补偿电容CS，然后再接入铁磁谐振电路，铁磁谐振电路的输出端与高频整流滤波电路相连；
所述的铁磁谐振电路采用磁饱和非线性电抗器和线性电容并联连接，所述的铁磁谐振电路并联于串联阻抗补偿电容CS之后；
所述的串联阻抗补偿电容CS，是指与可分离的耦合线圈输出端串联连接的电容，用于部分地补偿接收线圈的自感电抗，补偿后的总电抗仍显感性；
所述磁饱和非线性电抗器，是指以磁性材料为磁路的电感线圈，属于非线性电抗器；
所述线性电容C与磁饱和非线性电抗器并联，其电流有效值随电压有效值按正比关系变化。
2.如权利要求1所述的利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，其特征在于，所述的饱和电抗器LF的设计方法如下：根据稳定电压的工作原理，饱和电抗器的饱和电压设计成低于负载的额定电压，工作点电压大于铁磁谐振电压；选择软磁材料，根据磁化曲线、物理空间、工作频率、工作电流，设计磁芯横截面积、长度、线圈匝数和线径。
3.如权利要求1或2所述的利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，其特征在于，所述的串联阻抗补偿电容CS的设计方法如下：串联补偿电容是为了必要时补偿一部分接收线圈的自感电抗XL1，以增加感应电动势的利用率；电容补偿后，自感电抗与串联电容的电抗总体上仍需显感性，总电抗为XL1-XCs；由接收线圈的自感电抗XL1，便可得到串联波长电容的电抗XCs，进而根据工作频率计算出串联阻抗补偿电容CS。
4.如权利要求1或2所述的利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，其特征在于，所述的线性电容C参数的设计要求如下：在工作频率下，当并联电压较小时，电容电流大于饱和电抗器的电流，并联部分显容性；随着并联电压的增加，饱和电抗器的电流会经过谐振点后超过电容电流，并联部分显感性；达到额定输出电压时，在接收线圈自感的配合下，互感电动势的较大变化，只会导致输出电压的很小变化，达到输出电压的自稳定效果。
5.如权利要求3所述的利用铁磁谐振原理提高输出电压自稳定性的无线电能传输系统，其特征在于，所述的线性电容C参数的设计要求如下：在工作频率下，当并联电压较小时，电容电流大于饱和电抗器的电流，并联部分显容性；随着并联电压的增加，饱和电抗器的电流会经过谐振点后超过电容电流，并联部分显感性；达到额定输出电压时，在接收线圈自感的配合下，互感电动势的较大变化，只会导致输出电压的很小变化，达到输出电压的自稳定效果。
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