CN113036944A - 一种无线电能量传输装置 - Google Patents
一种无线电能量传输装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113036944A CN113036944A CN202110286816.5A CN202110286816A CN113036944A CN 113036944 A CN113036944 A CN 113036944A CN 202110286816 A CN202110286816 A CN 202110286816A CN 113036944 A CN113036944 A CN 113036944A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current
- converter
- control switch
- power supply
- port
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 69
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 51
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 31
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 31
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 29
- 230000000151 anti-reflux effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 32
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
本发明一种无线电能量传输装置，涉及一种电力电子变流技术；提供的无线电能量传输装置可以降低传统感应无线能量传输系统变流器的控制难度；包括：直流电源，防反流单元，变流器，初级谐振网络；其中，所述防反流单元被配置为允许所述直流电源向所述变流器传输供电电流并禁止所述变流器向所述直流电源传输与所述供电电流方向相反的电流；所述初级谐振网络包括第一端口、第二端口、两端分别与第一端口和第二端口连接的发射线圈和谐振电容；所述第一端口I和第二端口II与发射线圈和谐振电容并联地连接；通过控制使得变流器分别进入多种工作状态；且实现简单、控制难度小。
Description
技术领域
本发明实施例涉及一种电力电子变流技术，尤其涉及一种无线电能量传输装置。
背景技术
无线电能量传输是一种非物理接触的传输电能方式，可广泛地应用在诸如无线充电、无线供电以及感应加热等领域，有着很好的应用前景。无线电能量传输主要采用的技术为感应耦合能量传递技术(Inductive Power Transmission，IPT)，即在初级(一次侧)用变流器将低频的电网电能转换为高频电能去驱动发射线圈，发射线圈将高频能量通过电磁耦合传递到次级(二次侧)。IPT系统在原理上是一个松耦合变压器系统，这个系统通过一对线圈构成电磁耦合链路，将能量从一次侧传递到二次侧。由于松耦合变压器系统互感比漏感小得多，因此一次侧与二次侧之间的耦合能力差，导致无功功率高，传输效率极低。通常采用在一次侧和二次侧回路中增加谐振补偿网络解决耦合能力差的问题。由于回路中增加了谐振网络，变流器与谐振回路相互耦合强烈，即变流器的工作频率与相位要与谐振网络相一致。由于变流器与谐振间存在强耦合，为了保证变流器中的开关部件的软开关条件，系统开关状态的变化只能在在初级电流过零点处进行，这在很大程度上增加了开关控制策略的难度。
IPT系统的实际应用场景较为复杂，是一个变参数系统，如负载变化、线圈不对称、气隙变化等。参数变化会导致谐振网络频率漂移，造成变流器与谐振网络之间失谐，这在很大程度上影响了IPT系统的实际应用。因此众多学者和工程人员都在寻找更好的控制IPT系统的控制装置和方法。
发明内容
本发明实施例提出了一种无线电能量传输装置以降低无线电能量传输系统的控制难度。
本发明实施例提供一种无线电能量传输装置，包括：
直流电源；防反流单元；变流器；初级谐振网络；
其中，所述防反流单元被配置为允许所述直流电源向所述变流器传输供电电流并禁止所述变流器向所述直流电源传输与所述供电电流方向相反的电流；
所述初级谐振网络包括第一端口、第二端口、两端分别与第一端口和第二端口连接的发射线圈和谐振电容；
若所述变流器处于第一工作状态，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第一端口，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出第一方向的电流；
若所述变流器处于第二工作状态，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络，所述谐振电容与发射线圈产生谐振，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出谐振电流，所述谐振电流包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。
所述的无线电能量传输装置还包括所述次级能量接受单元。
所述次级能量接收单元包括与所述发射线圈电磁耦合的次级接收线圈。
所述次级能量接收单元还包括与所述次级接收线圈并联或串联的次级谐振电容。
所述初级谐振网络还包括磁芯，其中，所述发射线圈缠绕所述磁芯设置。
所述的无线电能量传输装置，当所述变流器处于第三工作状态时，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第二端口，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出第二方向的电流。
所述变流器包括第一控制开关部件，其中，
所述第一控制开关部件处于导通状态时，所述变流器处于第一工作状态，当变换器处于第一状态且所述谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源电压时，所述变换器将所述电源向所述变换器传输的供电电流注入所述第一端口；
所述第一控制开关部件处于截止状态时，所述变流器处于第二工作状态，当所述变换器处于第二状态时，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络。
所述变流器包括第二控制开关部件、第三控制开关部件、第四控制开关部件和第五控制开关部件，其中，
当第三和第四控制开关部件处于截止状态、第二和第五控制开关部件处于导通状态，所述变流器处于第一工作状态，当变换器处于第一状态且谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源电压时，所述变换器将所述电源向所述变换器传输的供电电流注入所述第一端口；
当第二控制开关部件和第三控制开关部件处于截止状态时和/或在第四控制开关部件和第五控制开关部件处于截止状态时，所述变流器处于第二工作状态，当所述变流器处于第二工作状态时，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络。
所述变流器还包括第二控制开关部件、第三控制开关部件、第四控制开关部件和第五控制开关部件，其中，
第二、第五控制开关部件处于截止状态且第三、第四控制开关部件处于导通状态时，所述变流器处于第三工作状态，当所述变流器处于第三工作状态且谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源两端的电压时，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第二端口。
所述变流器，用于控制所述直流电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络的维持时间以控制所述无线电量传输装置对次级能量接收单元的能量传输功率。
本发明实施例提供的一种无线电能量传输装置，处于第一工作状态的变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第一端口，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出第一方向的电流，处于第二工作状态的变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络，所述谐振电容与发射线圈产生谐振，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出谐振电流，所述谐振电流包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。通过这种控制方式，可以使得次级能量接收单元中感应出交流电，可以通过无线的方式为次级能量接收单元提供能量，这种控制方式实现简单，控制难度小。
附图说明
图1为本发明一种无线电能量传输装置的应用示意图。
图2为本发明防反流单元两种实施例示意图。
图3为本发明一种无线电能量传输装置变流器处于第一工作状态的应用拓扑示意图。
图4为本发明一种无线电能量传输装置变流器处于第二工作状态时的应用拓扑示意图。
图5为本发明一种无线电能量传输装置变流器处于第三工作状态时的应用拓扑示意图。
图6为本发明一种无线电能量传输装置次级能量接受单元第一种实施例拓扑示意图。
图7为本发明一种无线电能量传输装置次级能量接受单元第一种实施例的第一种改进方案示意图。
图8为本发明一种无线电能量传输装置次级能量接受单元第一种实施例的第二种改进方案示意图。
图9为本发明一种无线电能量传输装置次级能量接受单元第二种实施例拓扑示意图。
图10为本发明一种无线电能量传输装置第一种实施方案拓扑示意图。
图11为本发明一种无线电能量传输装置变在第一种实施方案主要电参数的时序图。
图12本发明一种无线电能量传输装置在第一种实施方案、第一工作状态情况下的工作状态示意图。
图13为本发明一种无线电能量传输装置在第一种实施方案、第二工作状态情况下的工作状态示意图。
图14为本发明一种无线电能量传输装置第二种实施方案拓扑示意图。
图15为本发明一种无线电能量传输装置在第二种实施方案主要电参数的时序图。
图16为本发明一种无线电能量传输装置在第二种实施方案、第一工作状态情况下的工作状态示意图。
图17为本发明一种无线电能量传输装置在第二种实施方案、第二工作状态情况下的工作状态示意图。
图18为本发明一种无线电能量传输装置在第二种实施方案、第三工作状态情况下的工作状态示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
为了至少部分地解决现有技术中存在的问题，例如，如何解决无线电能量传输装置变流器频率跟踪和/或变流器开关部件状态变化控制难等问题。本发明实施例提供一种无线电能量传输装置，其中，所述无线电能量传输装置包括：
直流电源1、防反流单元2、变流器3、初级谐振网络4；
所述防反流单元1可以设置在所述直流电源1和所述变流器3之间，所述防反流单元2被配置为允许所述直流电源1向所述变流器传输供电电流并禁止所述变流器3向所述直流电源1传输与所述供电电流方向相反的电流；在某些情况中，所述防反流单元2可以连接所述直流电源1和所述变流器3。
所述初级谐振网络4包括第一端口I、第二端口II、两边分别与第一端口I和第二端口II连接的发射线圈43和谐振电容41。所述变流器3与所述第一端口I和第二端口II连接。
若所述变流器处于第一工作状态，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络第一端口，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出第一方向的电流。
若所述变流器处于第二工作状态，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络，所述谐振电容与所述发射线圈产生谐振，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出谐振电流，所述谐振电流包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。
本发明实施例提供一种无线电能量传输装置，所述无线电能量传输装置能够将直流电源变为交流电流，该交流电流经过发射线圈的电磁耦合，在次级能量接受单元中感应出次级电流。通过这种方法，将能量由初级传递到次级，以为次级能量接收单元提供能量，这种控制方式实现简单，控制难度小。
在某些实施例中，所述无线电能量传输装置可以包括所述次级能量单元，在某些实施例中，所述无线电能量传输装置可以不包括所述次级能量接收单元。
图1为本发明实施例提供的无线电能量传输装置的应用示意图，图1提供的无线电能量传输装置将直流电源的直流电转换成交流电并通过电磁耦合的方式向次级能量接收单元提供能量。所述无线电能量传输装置，包括直流电源1、防反流单元2、变流器3、初级谐振网络4、次级能量接收单元5。
所述直流电源1与所述防反流单元连接，所述直流电源1的电压等级在此不作具体的限定。所述电源1的正极连接到防反流单元2的A1端口、负极连接到防反流单元2的A2端口。所述防反流单元可以包括正输出端(+)和负输出端(－)，其中，正输出端(+)连接到变流器的B1端口，负输出端(－)连接到变流器的B2端口。
所述变流器还包括端口C1和端口C2，端口C1可以与所述初级谐振网络的第一端口I连接，端口C2可以与所述初级谐振网络的第二端口II连接。所述谐振网络还包括两端分别与第一端口I和第二端口II连接的发射线圈43和谐振电容41，即发射线圈43和谐振电容41并联地连接于第一端口I和第二端口II。在某些实施例中，所述初级谐振网络还包括磁芯42，其中，所述发射线圈43缠绕所述磁芯42设置。
所述变流器3可以响应于控制信号下进入第一工作状态，由于所述防反流单元2被配置为允许所述直流电源1向所述变流器3传输供电电流，在所述变流器3处于第一工作状态，所述变流器将将所述电源向所述变流器传输的供电电流通过变流器端口C1注入初级谐振网络第一端口I，所述供电电流被正向注入发射线圈，所述发射线圈的磁场能量增加，通过电磁耦合，一部分磁场能量传输到次级能量接收单元5以使所述次级能量单元感应出第一方向的电流；
所述变流器3可以响应于控制信号下进入第二工作状态，若所述变流器在第二工作状态，所述变流器3禁止将所述电源向所述变流器传输的供电电流从变流器端口C1、端口C2输入所述初级谐振网络4，由于所述变流器3处于第一工作状态时，初级谐振网络4已经存储了能量，所述初级谐振网络4中的发射线圈43与谐振电容41产生谐振，谐振产生的电流继续通过发射线圈43与次级能量接收单元5的电磁耦合将能量传递到次级，所述发射线圈43中的磁场能量减少，所述次级能量接收单元5通过与所述发射线圈43的电磁耦合感应出谐振电流，所述谐振电流包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。在发射线圈43和谐振电容41谐振的过程中，发射线圈43和谐振电容41之间会产生方向变化的电流，这些方向变化的电流是初级谐振单元自激振荡产生的电流，初级谐振单元自激振荡产生的电流包括与供电方向相反的电流，所述与供电电流方向相反的电流是由所述初级谐振单元由自激振荡产生的。
由于变流器3可能会包括具有反向导通特性的控制开关部件，如果没有防反流单元2，变流器3可能会向直流电源1传输这些与所述供电电流方向相反的电流，导致电流回流电源而产生无功功率，无功功率会降低系统效。因此，本发明实施例种增加防反流单元2，所述防反流单元2可以禁止所述变流器3向所述直流电源1传输谐振电流中与所述供电电流方向相反的电流，这样可以有效地消除无功功率，提高系统效率。
在某些实施例中，所述变流器3可以响应于控制信号进入第三工作状态。由于所述防反流单元2被配置为允许所述直流电源1向所述变流器3传输供电电流，当所述变流器3处于第三工作状态时，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的电流注入所述第二端口II，以使次级能量接收单元5通过与所述发射线圈43的电磁耦合感应出第二方向的电流。具体地，所述变流器3将电源向所述变流器传输的电流通过变流器的端口C2注入初级谐振网络4第二端口II，反向注入发射线圈43，所述发射线圈的磁场能量增加，通过电磁耦合，一部分磁场能量传输到次级能量接收单元5，以使所述次级能量单元5感应出第二方向的电流。
所述变流器可以包括一个或多个控制开关部件，通过对所述一个或多个控制开关部件进行控制，可以使得变流器3分别进入第一工作状态和第二工作状态。在某些实施例中，通过对所述一个或多个控制开关部件进行控制，可以使得变流器分别进入第三工作状态。在某些实施例种，所述变流器3还可以包括一个或多个二极管。所述控制开关部件23可包括MOSFET器件或IGBT器件，必要时也可包括其他电子开关部件，例如二极管或光耦器件等。下文中的控制开关部件以MOSFET器件为例来进行示意性说明，所述MOSFET器件包括三个电极：源极、漏极和栅极。其他器件可根据公知的电学知识类比。
所述防反流单元2可以包括一个或多个二极管，参见图2，所述防反流单元2可采用(但不限于)图2中的a方案或者b方案；a方案中，二极管211正端连接A1端口、二极管211负端连接正输出端(+)，负输出端(－)可以通过导线与A2端口连接，直流电源1输出的供电电流只能从A1端口流向正输出端(+)口并到达所述变流器3，即允许所述直流电源1向所述变流器3传输供电电流；b方案中，二极管212正端连接负输出端(－)、负端连接A2端口，正输出端(+)可以通过导线与A1端口连接，直流电源1输出的供电电流只能从负输出端(－)流向A2端口并到达所述变流器3，即允许所述直流电源1向所述变流器3传输供电电流。两种方案都可保证所述直流电源向所述变流器传输供电电流，所述直流电源向所述变流器传输的供电电流可以为防反流单元向变流器输出的电流ibc。另外，由于二极管的物理特性，两种方案都可以保证禁止所述变流器向所述直流电源传输与所述供电电流方向相反的电流。
图3为所述变流器3处于第一工作状态的工作示意图。在第一工作状态中，直流电源输出的电流idc从A1端口输入防反流单元2，防反流单元2输出电流ibc从正输出端(+)输出后，输入变流器3的B1端口，变流器3输出电流icc从C1端口输出后，输入初级谐振网络4的第一端口I。在初级谐振网络中，谐振电容电流ic为0，发射线圈电流ip＝icc，通过电磁耦合，ip在次级能量接收单元5感应出第一方向的电流is。变流器3的第一工作状态中所述发射线圈中的能量增加，因此称为正向能量注入模态。
图4为所述变流器处于第二工作状态的工作示意图，在第二工作状态中，变流器停止向初级谐振网络4注入电流，有idc＝ibc＝icc＝0。此时初级谐振网络中的谐振电容41与发射线圈43发生谐振，发射线圈的电流与谐振电容的电流相等，ip＝ic。通过电磁耦合，ip在次级能量接收单元5感应出谐振电流is，所述次级谐振电流包括第一方向电流和不同于第一方向的电流。
图5为所述变流器处于第三工作状态的工作示意图。在第三工作状态中，直流电源输出的电流idc依然从A1端口输入防反流单元2，防反流单元输出电流ibc依然从正输出端(+)口输出，并输入变流器B1端口。但此时变流器的输出电流icc从C2端口输出，并送入初级谐振网络的第二端口II。在初级谐振网络中，谐振电容的电流为0，发射线圈电流ip＝icc，通过电磁耦合，ip在次级能量接收单元感应出第二方向的电流is。变流器3的第二工作状态中所述发射线圈中的能量反向增加，因此称为反向能量注入模态。
图6为次级能量接收单元5的一种实施方案，所述次级能量接收单元包括次级接收线圈51，在某些实施中，所述次级接收线圈可以为负载54供电。所述次级接收线圈51与所述的发射线圈43构成电磁耦合通道。所述次级接收线圈在初级发射线圈电流ip产生的磁力线作用下，感应出次级电流is，所述次级电流is包括如前所述第一方向的电流和第二方向的电流。所述次级电流is可以为负载54供电，所述负载可以为各种类型的耗电器材。为了提高电磁感应的耦合系数，在某些实施例种，所述次级接收线圈还可以包括磁芯52，所述次级接收线圈51缠绕所述磁芯52设置，提高系统的效率，如图7所示。
为了进一步提高系统效率，所述次级接收线圈还可以包括次级补偿电容53，如图8所示。所述次级补偿电容可以串联的形式与次级接收线圈连接，也可以并联的形式与次级接收线圈连接。
图9为次级能量接收单元第二种实施方案，所述次级能量接收单元为为金属材料55加热。金属材料55可为各种形状，例如烹饪锅具、冶炼坩埚等。
图10为本发明实施例提供的无线电能量传输装置的第一种实施方案中所述变流器3、初级谐振网络4和次级能量接收单元5拓扑示意图，其中，所述变流器3包括第一控制开关部件311，第一控制开关部件311与所述第一端口I和所述防反流单元2连接，具体地，与防反流单元的B1端口单元连接。所述第一控制开关部件311由第一周期信号控制，所述第一周期信号处于导通信号(例如高电平)时第一控制开关部件导通，所述第一周期信号处于截止信号(例如低电平)时第一控制开关部件截止，通过第一周期信号对所述第一控制开关部件的控制可以使得所述变流器3分别进入第一工作状态和第二工作状态。在某些实施例中，所述第一控制开关部件311的漏极连接变流器B1端口、源极连接C1端口、栅极连接控制信号，变流器B2端口连接C2端口。变流器C1端口与所述初级谐振网络4第一端口I相连，C2端口与初级谐振网络第二端口II相连。
图11为变流器3第一种实施方案主要电参数的时序图，图中标示出第一周期信号ug1、发射线圈电流ip、直流电源电流idc、谐振电容电流ic和谐振电容两端的电压uc的波形图。
参考图11，在区间[t0,t2]，第一周期信号ug1处于导通信号(例如高电平信号)，第一控制开关部件311导通，变流器3处于第一工作状态。当变换器处于第一工作状态，若在所述谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源电压UDC时，即在区间[t1,t2]中，所述变换器将所述电源向所述变换器传输的供电电流注入所述第一端口I。
图12为所述变流器处于第一种实施方案中第一工作状态情况下的所述无线电传输装置的工作状态示意图。第一控制开关部件311导通时，所述变流器处于第一工作状态，二极管211也导通，若在所述谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源电压UDC时，即在区间[t1,t2]中，电源输出的电流idc从A1流经二极管211后流入变流器B1端口，经第一控制开关部件311后作为变流器输出电流icc从C1端口流出并流进初级谐振网络4第一端口I。电流icc流入第一端口I后成为发射线圈43的发射线圈电流ip。发射线圈电流ip流出初级谐振网络第二端口II后流入变流器C2端口并从B2端口流出，最后经防反流单元A2端口回到直流电源1负端。在这个过程中，发射线圈电流ip通过电磁耦合，在次级能量接收单元感应出第一方向次级电流is。
图13为所述变流器处于第一种实施方案中第二工作状态情况下的所述无线电传输装置的工作状态示意图。在第二工作状态中，第一控制开关部件311截止，变流器3停止输出电流，idc、ibc与icc均为零。此时谐振电容41与发射线圈43谐振，发射线圈电流与谐振电容相等，ip＝ic。ip在谐振过程中通过电磁耦合，在次级能量接收单元5感应出次级谐振电流is，所述次级谐振电流is包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。在第二工作状态下，直流电源1没有输出电流，idc＝ibc＝icc＝0。由于发射线圈和谐振电容会产生自激振荡，谐振电容两端会有电压存在，因此在变流器从第二工作状态切换至所述第一工作状态的一段时间内，谐振电容电压uc绝对值大于直流电源电压UDC，变流器不会将所述电源向所述变换器传输的电流注入所述第一端口I。具体地，参考图11，在区间[t2,t4]，第一周期信号ug1处于截止信号期间，第一控制开关部件311截止，变流器处于第二工作状态，当所述变换器处于第二状态时，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的电流注入所述初级谐振网络；在区间[t0,t1]和[t4,t5]，第一周期信号ug1处于导通信号期间，第一控制开关部件311导通，变流器处于第一工作状态，但此时谐振电容电压uc绝对值大于直流电源电压UDC。因此在区间[t0,t1]和区间[t4,t5]，变流器不会将所述电源向所述变换器传输的电流注入所述第一端口I。在此期间，所述防反流单元禁止所述变流器向所述直流电源传输与所述供电电流方向相反的电流以防止电流回流电源。防止电流回流电源的目的是为了消除无功功率，提高系统效率。
图14为本发明实施例提供的无线电能量传输装置第二种实施方案中所述变流器3、初级谐振网络4和次级能量接收单元5拓扑示意图，其中，所述变流器3包括：第二控制开关部件312、第三控制开关部件313、第四控制开关部件314和第五控制开关部件315，第二周期信号控制第二控制开关部件312、第五控制开关部件315，第三周期信号控制第三控制开关部件313、第四控制开关部件314。
第二控制开关部件312和第三控制开关部件313的漏极相连后，作为变流器输入端B1端口。第四控制开关部件314和第五控制开关部件315的源极相连后，作为变流器输入端B2端口。第二控制开关部件312的源极与第四控制开关部件314的漏极相连后，作为变流器的输出端C1端口。第三控制开关部件313的源极与第五控制开关部件315的漏极相连后，作为变流器的输出端C2端口；所述第二控制开关部件312、第三控制开关部件313、第四控制开关部件314和第五控制开关部件315的栅极与控制信号连接。图15为变流器3第二种实施方案主要电参数的时序图，图中标示出第二周期信号ug2、第三周期信号ug3、发射线圈电流ip、直流电源电流idc、谐振电容电流ic和谐振电容电压uc的波形图。第二周期信号可以施加给所述第二控制开关部件和第五控制开关部件，第三周期信号可以施加给所述第三控制开关部件和第四控制开关部件，通过第二周期信号对所述第二控制开关部件和第五控制开关部件的控制与第三周期信号对第三控制开关部件和第四开关部件的控制，可以使得所述变流器3分别进入第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态。
参考图15，在区间[t2,t3]，第二周期信号ug2处于导通信号期间，第二控制开关部件、第五控制开关部件导通；第三周期信号ug3处于截止信号期间，第三控制开关部件、第四控制开关部件截止，变流器3处于第一工作状态。
图16为所述变流器处于第二种实施方案中第一工作状态情况下的所述无线电传输装置的工作状态示意图。图中表明，在第一工作状态中，第二控制开关部件312、第五控制开关部件315导通，第三控制开关部件313、第四控制开关部件314截止，电流ibc流入所述变流器3的B1端口，经第二控制开关部件312后，形成变流器输出电流icc流出C1端口后，流进初级谐振网络第一端口I并在发射线圈形成发射线圈电流ip。发射线圈电流ip经初级线圈第二端口II流出后，流入变流器端口C2，进而通过第五控制开关部件315流出变流器B2端口。在这个过程中，发射线圈电流ip通过电磁耦合，在次级能量接收单元5感应出第一方向次级电流is。
参考图15，在区间[t3,t5]第二周期信号ug2处于截止信号，第二控制开关部件312、第五控制开关部件315截止，第三周期信号ug3处于截止信号，第三控制开关部件313、第四控制开关部件314截止，所述变流器处于第二工作状态。可以理解的是，在第二控制开关部件312和第三控制开关部件313处于截止状态时和/或在第四控制开关部件314和第五控制开关部件315处于截止状态时所述变流器3处于第二工作状态，当所述变流器处于第二工作状态时，所述变流器3停止将所述直流电源1向所述变流器3传输的电流注入所述初级谐振网络4。
图17为变流器3、初级谐振网络4、次级能量接收单元5在第二种实施方案、第二工作状态情况下的工作状态示意图。第二工作状态中，第二控制开关部件312、第三控制开关部件313、第四控制开关部件314和第五控制开关部件315均截止，变流器3停止输出电流，ibc与icc均为零。此时谐振电容41与发射线圈43产生谐振，发射线圈电流与谐振电容相等，ip＝ic。ip在这个过程中通过电磁耦合，在次级能量接收单元感应出次级谐振电流is，所述次级谐振电流is包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。
参考图15，在区间[t6,t7]，第二周期信号ug2处于截止信号期间，第二控制开关部件312、第五控制开关部件315截止；第三周期信号ug3处于导通信号期间，第三控制开关部件313、第四控制开关部件314导通，变流器3处于第三工作状态，当所述变流器处于第三工作状态且谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源1两端的电压时，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的电流注入所述第二端口II。
图18为变流器3、初级谐振网络4、次级能量接收单元5在第二种实施方案、第三工作状态情况下的工作状态示意图。第三工作状态中，第二控制开关部件312、第五控制开关部件315截止，第三控制开关部件313、第四控制开关部件314导通。电流ibc从B1端口流进变流器，经第三控制开关部件313后，形成变流器输出电流icc从C2端口流出后，流进初级谐振网络第二端口II并在发射线圈43形成发射线圈电流ip。发射线圈电流ip通过初级谐振网络第一端口I流出后流入变流器C1端口，通过第四控制开关部件314流出变流器B2端口。在这个过程中，发射线圈电流ip通过电磁耦合，在次级能量接收单元5感应出第二方向次级电流is。
以本发明实施例提供的无线电能量传输装置第一种实施方案为例对控制开关部件开关操作时间裕度进行分析：
参考图11，第一周期信号ug1在t0(t4)时刻开始导通信号，第一控制开关部件311开始导通。注意到虽然第一控制开关部件311已经导通，但所述直流电源在t1(t5)之后才开始输出电流idc。也就是说，在谐振情况下(所述谐振电容两端电压绝对值大于直流电源电压UDC)所述直流电源电流idc开始出现的时间与第一周期信号ug1开始导通信号时刻，即第一控制开关部件311导通时刻无关。
参考图12，所述直流电源电流idc与所述发射线圈43电流ip方向是相同的，所述发射线圈电流ip的方向是从所述初级谐振网络第一端口I流向第二端口II。参考图13，在初级谐振网络4产生谐振情况下，当所述发射线圈电流ip的方向从所述初级谐振网络第一端口I流向第二端口II时，谐振电容电流ic的方向为从所述初级谐振网络第二端口II流向第一端口I。以上分析说明，所述发射线圈电流ip从所述谐振电容电流ic过渡到所述直流电源电流idc的条件是谐振电容电流ic的方向必须从所述初级谐振网络第二端口II流向第一端口I。参考图12，通过图中电流标识的方向可得到：所述发射线圈电流ip从ic过渡到idc的条件是谐振电容电流ic为负值。
参考图11，注意区间[t2，t5]内所述初级谐振网络所产生的谐振正好完成一个谐振周期。t3时刻为所述谐振电容电流ic过零点，且区间[t3，t5]中所述谐振电容电流ic为负值，符合所述发射线圈电流ip从ic过渡idc的条件。因此，区间[t3，t5]被用作第一周期信号ug1开始导通信号t0(t4)时刻的时间裕度，即第一控制开关部件311操作时间裕度。在所述第一控制开关部件操作时间裕度中的任一时刻导通第一控制开关部件311，其效果相当于先导通第一控制开关部件311，然后等待满足所述发射线圈电流ip从ic过渡到idc条件的出现。在所述第一控制开关部件311导通情况下，只有在所述初级谐振网络4产生的谐振完成一个谐振周期后，所述谐振电容两端电压等于或低于所述直流电源电压UDC后，所述第一控制开关部件311才能将所述直流电源电流idc送入所述初级谐振网络第一端口I。本发明所具有的这个操作时间裕度特点可以与使所述变流器3与所述初级谐振网络4解耦，为第一控制开关部件311的操作提供了一个宽松的时间裕度，摆脱了传统变流器开关与谐振网络必须频率、相位一致的严苛约束。
参考图15－图18，用相同的分析方法可以分析出：本发明实施例提供的无线电能量传输装置第二种实施方案中的第二控制开关部件312、第三控制开关部件313、第四控制开关部件314和第五控制开关部件315同样具有操作时间裕度。
可以理解的是，针对图3-5、图12-13和图16-18，流过电流的电路和元器件用加粗黑实线示意，没有流过电流的电路和元器件用虚线示意。
参见图11、图15，在图11的[t1，t2]区间，图15的[t2，t3]、[t6，t7]区间中，所述第一周期信号、第二周期信号和第三周期信号分别为导通信号，所述直流电源向所述发射线圈注入电流，所述发射线圈电流为：
其中L为发射线圈电感，在所述区间开始时刻发射线圈电流ip为Ipmd，结束时刻为Ipm。在所述区间中，所述直流电源向所述发射线圈注入能量，发射线圈中磁场能量增加。
若第一周期信号、第二周期信号、第三周期信号的导通信号维持时间为τ，即τ＝t2-t1＝t3-t2＝t7-t6，则有：
在所述区间中，直流电源向发射线圈注入的能量为：
公式
表明，τ越大，Ipmd与Ipm差就越大，直流电源向发射线圈注入的能量就越大，因此所述变流器可以用于控制所述供电电流注入所述初级谐振网络的维持时间τ，以控制所述无线电量传输装置对次级能量接收单元的能量传输功率。进一步地，所述变流器可以根据第一周期信号、第二周期信号、第三周期信号的导通信号的维持时间控制所述直流电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络的维持时间以控制所述无线电量传输装置对次级能量接收单元的能量传输功率。所述周期信号可以为方波信号。在某些实施例中，所述无线电能量传输装置还可以包括交互装置，所述交互装置，用于检测用户的能量传输功率设置操作，并根据检测到的操作确定功率控制信号，所述变流器响应所述功率控制信号，控制所述供电电流注入所述初级谐振网络的维持时间。用户可以通过对所述交互装置进行操作来实现能量传输功率的控制。所述交互装置可以按键、旋钮、波轮或者触摸显示装置等。
在某些特定情况下，如对系统效率没有太高要求，允许无功功率存在，允许所述变流器向所述直流电源反向注入电流的应用场景下，本发明一种无线电能量传输装置可在缺失防反流单元的情况下工作。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括(但不限于)：只读内存(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种无线电能量传输装置，其特征在于，包括：
直流电源；
防反流单元；
变流器；
初级谐振网络；
其中，所述防反流单元被配置为允许所述直流电源向所述变流器传输供电电流并禁止所述变流器向所述直流电源传输与所述供电电流方向相反的电流；
所述初级谐振网络包括第一端口、第二端口、两端分别与第一端口和第二端口连接的发射线圈和谐振电容；
若所述变流器处于第一工作状态，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第一端口，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出第一方向的电流；
若所述变流器处于第二工作状态，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络，所述谐振电容与发射线圈产生谐振，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出谐振电流，所述谐振电流包括第一方向的电流和不同于第一方向的电流。
2.根据权利要求1所述的无线电能量传输装置，其特征在于，还包括所述次级能量接受单元。
3.根据权利要求1或2所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述次级能量接收单元包括与所述发射线圈电磁耦合的次级接收线圈。
4.根据权利要求3所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述次级能量接收单元还包括与所述次级接收线圈并联或串联的次级谐振电容。
5.根据权利要求1-4任一项所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述初级谐振网络还包括磁芯，其中，所述发射线圈缠绕所述磁芯设置。
6.根据权利要求1-5任一项所述的无线电能量传输装置，其特征在于，当所述变流器处于第三工作状态时，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第二端口，以使次级能量接收单元通过与所述发射线圈的电磁耦合感应出第二方向的电流。
7.根据权利要求1-5任一项所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述变流器包括第一控制开关部件，其中，
所述第一控制开关部件处于导通状态时，所述变流器处于第一工作状态，当变换器处于第一状态且所述谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源电压时，所述变换器将所述电源向所述变换器传输的供电电流注入所述第一端口；
所述第一控制开关部件处于截止状态时，所述变流器处于第二工作状态，当所述变换器处于第二状态时，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络。
8.根据权利要求1-6任一项所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述变流器包括第二控制开关部件、第三控制开关部件、第四控制开关部件和第五控制开关部件，其中，
当第三和第四控制开关部件处于截止状态、第二和第五控制开关部件处于导通状态，所述变流器处于第一工作状态，当变换器处于第一状态且谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源电压时，所述变换器将所述电源向所述变换器传输的供电电流注入所述第一端口；
当第二控制开关部件和第三控制开关部件处于截止状态时和/或在第四控制开关部件和第五控制开关部件处于截止状态时，所述变流器处于第二工作状态，当所述变流器处于第二工作状态时，所述变流器停止将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络。
9.根据权利要求6所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述变流器包括第二控制开关部件、第三控制开关部件、第四控制开关部件和第五控制开关部件，其中，
第二、第五控制开关部件处于截止状态且第三、第四控制开关部件处于导通状态时，所述变流器处于第三工作状态，当所述变流器处于第三工作状态且谐振电容两端的电压绝对值等于或小于直流电源两端的电压时，所述变流器将所述电源向所述变流器传输的供电电流注入所述第二端口。
10.根据权利要求1或7或8或所述的无线电能量传输装置，其特征在于，所述变流器，用于控制所述直流电源向所述变流器传输的供电电流注入所述初级谐振网络的维持时间以控制所述无线电量传输装置对次级能量接收单元的能量传输功率。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110286816.5A CN113036944B (zh) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 一种无线电能量传输装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110286816.5A CN113036944B (zh) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 一种无线电能量传输装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113036944A true CN113036944A (zh) | 2021-06-25 |
| CN113036944B CN113036944B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=76471343
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110286816.5A Active CN113036944B (zh) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 一种无线电能量传输装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113036944B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013222227A1 (de) * | 2013-10-31 | 2015-04-30 | Hella Kgaa Hueck & Co. | Vorrichtung und Verfahren zur kabellosen elektrischen Energieübertragung |
| CN204652001U (zh) * | 2015-06-11 | 2015-09-16 | 重庆大学 | 自适应磁共振无线充电器 |
| CN105634149A (zh) * | 2016-02-01 | 2016-06-01 | 北京动力京工科技有限公司 | Ac/ac注入型感应耦合式无线能量传输装置 |
| CN107681791A (zh) * | 2017-10-27 | 2018-02-09 | 厦门大学 | 一种半桥谐振无线能量传输系统 |
| CN207397558U (zh) * | 2017-07-17 | 2018-05-22 | 上海电力学院 | 频率可调的无线电能传输实验装置 |
| CN110168896A (zh) * | 2017-02-04 | 2019-08-23 | Abb瑞士股份有限公司 | Dc到dc变流器和控制方法 |
| CN110212649A (zh) * | 2018-02-28 | 2019-09-06 | 泰达电子股份有限公司 | 无线功率传输控制 |
-
2021
- 2021-03-17 CN CN202110286816.5A patent/CN113036944B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102013222227A1 (de) * | 2013-10-31 | 2015-04-30 | Hella Kgaa Hueck & Co. | Vorrichtung und Verfahren zur kabellosen elektrischen Energieübertragung |
| CN204652001U (zh) * | 2015-06-11 | 2015-09-16 | 重庆大学 | 自适应磁共振无线充电器 |
| CN105634149A (zh) * | 2016-02-01 | 2016-06-01 | 北京动力京工科技有限公司 | Ac/ac注入型感应耦合式无线能量传输装置 |
| CN110168896A (zh) * | 2017-02-04 | 2019-08-23 | Abb瑞士股份有限公司 | Dc到dc变流器和控制方法 |
| CN207397558U (zh) * | 2017-07-17 | 2018-05-22 | 上海电力学院 | 频率可调的无线电能传输实验装置 |
| CN107681791A (zh) * | 2017-10-27 | 2018-02-09 | 厦门大学 | 一种半桥谐振无线能量传输系统 |
| CN110212649A (zh) * | 2018-02-28 | 2019-09-06 | 泰达电子股份有限公司 | 无线功率传输控制 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113036944B (zh) | 2024-03-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103580493B (zh) | 高功率变换器架构 | |
| US9871467B2 (en) | Resonant converters including flying capacitors | |
| US9106141B2 (en) | Switching power supply device | |
| CN103516196B (zh) | 开关电源装置 | |
| KR102139841B1 (ko) | 유도 전력 전송 시스템용 수신기 및 유도 전력 전송 시스템용 수신기를 제어하는 방법 | |
| WO2017185856A1 (zh) | 一种谐振功率变换器及其频率跟踪方法 | |
| CN101689811A (zh) | 谐振功率转换器的待机操作 | |
| CN103703664B (zh) | 用于控制谐振模式功率供应的方法以及具有控制器的谐振模式功率供应的电路 | |
| CN103066855B (zh) | 用于电源变换系统中的零电压开关的系统和方法 | |
| US9906067B1 (en) | Apparatus, system and method to wirelessly charge/discharge a battery | |
| CN109906538B (zh) | 功率发射器以及用于无线地传输功率的方法 | |
| KR100835329B1 (ko) | 전압 변환기 | |
| JPH02111258A (ja) | 非線形共振スイッチ及び変換器 | |
| US6531689B2 (en) | Fixing device using an inverter circuit for induction heating | |
| CN107546985B (zh) | 开关电源变压器去磁方法 | |
| CN113036944B (zh) | 一种无线电能量传输装置 | |
| EP4125199B1 (en) | Converter and converter control method | |
| CN111130352A (zh) | 一种反激式开关电源的控制方法 | |
| CN109546861A (zh) | 一种llc谐振腔电压转换率动态调节的方法 | |
| CN112994473B (zh) | 一种高压buck软开关电路及控制方法 | |
| CN108400625B (zh) | 基于ddq磁结构的均流电路 | |
| CN205249071U (zh) | 电能转换系统 | |
| Jabbari et al. | New resonant LCL boost converter | |
| CN110233522B (zh) | 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 | |
| CN110224503B (zh) | 基于容性半桥逆变器的无线能量传输装置及能量传输控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |