CN113300483A - 一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法 - Google Patents

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    • 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
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Abstract

本发明提出了一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，所述工频纹波为整流线路输出电压含有2倍于工频的电压波动，所述调频抑制方法是根据工频整流电压变化通过对高频逆变线路频率进行频率调制，达到在功率的接收端电压或电流抑制工频纹波影响的目的；本发明的有益效果是：减少功率变换级数，提高系统效率，降低生产成本。

Description

一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法
技术领域
本发明涉及无线供电领域功率变换器，尤其涉及通过频率调制消除整流后工频纹波的影响。
背景技术
无线功率传输系统通常有4级功率变换和功率耦合线路：工频AC/DC、高频DC/AC、高频AC/DC、高频DC/DC和耦合线圈及其补偿线路。
工频AC/DC，负责把工频交流转换为直流电压，采用有源功率因数调整线路，使得具有较高的功率因数，减小无功分量，但直流母线不可避免具有一定的2倍工频纹波电压。
高频DC/AC把直流电压转换为高频交流，进一步驱动无线功率传输补偿线路及其耦合线圈。
高频AC/DC通常采用整流桥实现，对于大电流应用场合采用同步整流的方式，负责在接收端把高频交流转换为直流，进一步为电池充电。
高频DC/DC部分有两种使用方案：一是位于工频AC/DC和高频DC/AC之间，通过DC/DC调整直流母线电压，达到调整系统输出电压或电流的目的，满足电池充电的需要；二是位于接收端高频AC/DC后面，通过调整根据电池充电电压和电流需要进行电压电流调整。
耦合线圈及其补偿线路，负责通过电磁场实现功率的无线传输，补偿线路则负责线圈的无功补偿，使得高频DC/AC逆变线路功率因数趋近于1，并且实现高频DC/AC逆变线路得开关管零电压导通，减小开关损耗。
无线功率传输传输目前面对的主要问题是效率低，其功耗主要由线盘漏磁和多级功率变换器引起，减少功率变换级数为进一步提高效率有效方案，工频AC/DC、高频DC/AC、高频AC/DC是必不可少的三级功率变换，可以通过调整工频AC/DC输出电压减去高频DC/DC，但面临的问题是2倍工频纹波的影响，在系统输出端带来较大的电压和电流的工频波动，影响系统性能。
本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种通过调制高频DC/AC频率抑制工频纹波的方法，提高系统效率，降低生产成本。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，在传统的无线功率传输功率拓扑的架构的基础上，检测工频AC/DC输出的直流母线电压值，根据检测结果对无线功率传输高频DC/AC的开关频率进行调制，实现抑制2倍工频的纹波影响，消去系统输出电压和电流2倍工频纹波。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
系统硬件线路架构：
一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，所述方法用于无线功率传输功率系统，其硬件线路架构包含工频AC/DC、高频DC/AC、高频AC/DC和耦合线圈及其补偿线路；工频AC/DC采用有源功率因数调整线路，负责把工频交流转换为直流电压，直流母线电压不可避免具有一定的2倍工频纹波电压；高频DC/AC采用全桥线路或半桥线路，负责把直流电压转换为高频交流电压，进一步驱动无线功率传输补偿线路及其耦合线圈；耦合线圈及其补偿线路，补偿线路由LCC或LCL组成，耦合线圈包含发射线圈和接收线圈；高频AC/DC由整流桥或同步整流线路组成。
系统软件控制：
一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，根据无线功率传输的系统输出电压或电流偏差，调整工频AC/DC输出的直流母线电压，当系统输出偏高时降低工频AC/DC输出的直流母线电压，当系统输出偏低时升高工频AC/DC输出的直流母线电压，达到系统输出稳流或稳压的目的。
采集直流母线电压的2倍工频纹波分量，根据工频AC/DC输出的直流母线电压2倍工频纹波调整高频DC/AC频率，线盘谐振频率为系统输出电压或电流的最高点，当工频AC/DC输出的直流母线电压高时高频DC/AC工作频率远离线盘谐振频率，包含低于谐振频率和高于谐振频率两个方向，减少功率传输，当工频AC/DC输出的直流母线电压低时高频DC/AC工作频率靠近线盘谐振频率，增加功率传输。
采集谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量，根据采集的谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量调整高频DC/AC频率，线盘谐振频率为系统输出电压或电流的最高点，当采集的谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量高时高频DC/AC工作频率远离线盘谐振频率，包含低于谐振频率和高于谐振频率两个方向，减少功率传输，当采集的谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量低时高频DC/AC工作频率靠近线盘谐振频率，增加功率传输。
本发明的有益效果是：
采用通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，可以减少功率变换级数，并且有效避免2倍工频纹波带来的系统影响，从而提高系统效率和可靠性，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明方法无线功率传输系统整体示意图；
图2为本发明工频AC/DC输出直流母线电压波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
图1为本发明方法无线功率传输系统整体示意图，系统工频交流输入，直流稳压或稳流输出，中间由EMI、工频AC/DC、高频DC/AC、高频AC/DC、高频AC/DC、次边滤波线路和耦合线圈及其补偿线路，耦合线圈及其补偿线路包含原边耦合线圈、原边补偿网络和次边耦合线圈、次边补偿网络；信号采集包含系统输出电压采集、输出电流采集和工频AC/DC输出直流母线电压采集。
EMI模块用于滤除工频AC/DC模块输入端产生高频电流纹波，减小电磁干扰。
工频AC/DC模块，通常采用有源功率因数调整线路，负责把工频交流转换为直流，直流母线电压会含有2倍工频的纹波，其波形如图2所示；其纹波大小由线路直流母线滤波电容和负载功率决定，直流母线滤波电容容值越小，纹波越大，负载电流越大，纹波越大。
高频DC/AC模块，通常采用桥式线路或半桥线路，负责把直流母线的直流电压转换为高频交流电压。
高频AC/DC模块，通常采用桥式整流线路或同步整流线路，负责把高频交流电压转换为直流电压。
原边耦合线圈及其补偿线路和次边耦合线圈及其补偿线路，耦合线圈负责通过电磁场实现功率无线传输；补偿线路有多种方案，如LCC补偿拓扑和LCL补偿拓扑，其作用为减小无功功率，并且实现开关管的零电压开关或零电流开关。
次边滤波线路，通常采用电感电容组成的低通滤波线路，滤除高频AC/DC输出电压的交流量。
图1无线功率传输系统整体示意图中有两个环路，①是通过射频通信的大的外环，通过调整工频AC/DC输出的直流母线电压调整系统输出；②和③为控制内环，通过调整高频DC/AC的开关频率抑制工频AC/DC输出电压纹波电压的影响，②为前馈，③为反馈，②和③可以采用一个，或者两个都采用。
①是系统输出电压和电流采集，当系统为恒压输出时，根据系统输出电压偏差调整工频AC/DC输出电压，达到稳压输出目的；当系统为恒流输出时，根据系统输出电流偏差调整工频AC/DC输出电压，达到稳流输出的目的。
②是根据工频AC/DC整流输出的直流母线电压2倍工频纹波调整高频DC/AC的开关频率，当工频AC/DC整流输出的直流母线电压2倍工频纹波高时，远离耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，当工频AC/DC整流输出的直流母线电压2倍工频纹波低时，靠近耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，抑制工频AC/DC输出电压纹波电压的影响。
③是根据谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量调整高频DC/AC的开关频率，当谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量高时，远离耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，当谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量低时，靠近耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，抑制工频AC/DC输出电压纹波电压的影响。

Claims (3)

1.一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，所述工频纹波为工频AC/DC输出电压含有2倍于工频的电压波动，所述调频抑制方法是根据工频AC/DC输出电压对高频DC/AC的线路频率进行频率调制，达到在功率的接收端电压或电流抑制工频纹波影响的目的。
2.根据权利要求1所述的一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，其特征在于：根据工频AC/DC输出的直流母线电压2倍工频纹波调整高频DC/AC的开关频率，当工频AC/DC输出的直流母线电压2倍工频纹波高时，高频DC/AC的开关频率远离耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，当工频AC/DC输出的直流母线电压2倍工频纹波低时，高频DC/AC的开关频率靠近耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，抑制工频AC/DC输出电压纹波电压的影响。
3.根据权利要求1所述的一种通过调频抑制无线供电系统工频纹波方法，其特征在于：是根据采集谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量调整高频DC/AC的开关频率，当谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量高时，高频DC/AC的开关频率远离耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，当谐振线路或发射线圈电流的2倍工频纹波分量低时，高频DC/AC的开关频率靠近耦合线圈及其补偿线路的谐振频率，抑制工频AC/DC输出电压纹波电压的影响。
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