CN113675956A - 一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统 - Google Patents

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CN113675956A CN202110860177.9A CN202110860177A CN113675956A CN 113675956 A CN113675956 A CN 113675956A CN 202110860177 A CN202110860177 A CN 202110860177A CN 113675956 A CN113675956 A CN 113675956A
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Abstract

本发明提供一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，该系统具有抗偏移能力，双发射线圈使得磁场的区域更大，在一定偏移范围内，能实现输出电压的稳定，因此具有抗偏移能力；与传统的单发射线圈相比，双发射线圈配合双谐振网络，能进一步提升输入功率，从而增强磁场，从而传输距离更远，输出电压更高；器件选型灵活度高，由于双半桥交错工作，在同等输入电压和功率的条件下，本系统发射线圈的电流为传统无线电能传输系统的一半；双半桥交错工作，在相同的功率条件下，本系统的输入电流纹波比传统单补偿单发射的无线电能传输系统的输入电流纹波更小，系统更加稳定；传输效率高，整机谐振网络呈感性状态，可以实现软开关，提升该系统的效率。

Description

一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统。
背景技术
近年来，各类电子电气设备得到了快速普及与发展，而用户对电能传输的安全性与可靠性提出了新的要求。传统插电式电能传输技术在充电时，存在火花及高压触电等安全隐患，使得系统安全性、可靠性以及使用寿命降低，并尚且难以达到一些特殊工业场合的安全要求。无线电能传输技术正是了为了弥补这些不足而被广泛探讨与研究的一种电能传输技术。无线电能传输系统是一种新兴的无需物理接触便可在一定距离内实现从供电电源到负载端的电能传输技术。与传统金属导线直接接触的电能传输方式不同，无线电传输技术是利用磁场、激光或微波等作为能量的传输媒介，使电网与用电设备之间无需电气直接接触，有效客服了传统金属导线直接接触供电所存在的固有缺陷与问题，极大地降低了用电设备对电线与接线端口的使用率，因此，无线电能传输系统具有安全性、电气隔离、低维护和便捷性以及具备在特殊环境与天气下工作的能力等诸多优势。
当前，传统的无线电能传输系统大多是单线圈对单线圈的传输系统，即单发射线圈对单接受线圈，如图1所示。其发射端采用LCCL谐振网络(L:电感，C：电容)，接受端采用则LC谐振。然而在实际的应用中，绝大多数的无线电能传输系统都可能存在位置的偏移和传输距离的变化，导致耦合机构不可避免地出现偏移情况，降低了系统的效率和功率，因此，抗偏移能力较差和传输距离较短仍是当前无线电能传输系统研究中的常见问题。
现有的技术方案如图1所示，该技术方案缺点是：
(1)抗偏移能力差。传统无线电能传输系统由单发射线圈对单接收线圈，磁场区域有限，需要两者位置对准才能实现高效传输，否则传输效率下降；
(2)输出电压低，传输距离短。在半桥结构下，单发射线圈和单谐振网络，提供的磁场强度有限，使得对应的传输电压低和距离短；
(3)输入输出电流纹波较大，对器件选型要求更高。
发明内容
本发明提供一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，该系统提升输入功率，从而增强磁场，从而传输距离更远，输出电压更高。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，包括发射端和接收端；
所述发射端包括输入工频整流和滤波电路，第一功率半桥逆变电路、第二功率半桥逆变电路、第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络、第一发射线圈和第二发射线圈；第一功率半桥逆变电路与第二功率半桥逆变电路并联在一起并与输入工频整流和滤波电路连接，第一发射线圈、第一发射端谐振网络和第一功率半桥逆变电路顺次连接，第二发射线圈、第二发射端谐振网络和第二功率半桥逆变电路顺次连接；所述第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络与发射端控制模块连接；
所述接收端包括顺次连接的接收线圈、接收端谐振网络和输出高频整流滤波电路；接收线圈接收第一发射线圈和第二发射线圈发出的信号，输出高频整流滤波电路与外接负载连接。
进一步地，所述输入工频整流和滤波电路由四个整流二极管D1-D4组成的全桥整流电路和并联在该全桥整流电路上的滤波电容Cin组成；四个整流二极管D1-D4组成的全桥整流电路将220V市电变换为馒头波，滤波电容Cin将馒头波变换为幅值为310V的直流电输送给第一功率半桥逆变电路和第二功率半桥逆变电路。
进一步地，所述第一功率半桥逆变电路和第二功率半桥逆变电路组成双功率半桥逆变电路，包括功率开关管Q1-Q4，功率开关管Q1和Q2组成第一功率半桥逆变电路，功率开关管Q3和Q4组成第二功率半桥逆变电路，两个功率半桥逆变电路并联一起与输入工频整流和滤波电路连接。
进一步地，所述第一发射端谐振网络包括：第一谐振电感Lp1、第一谐振补偿电容Cp1、第二谐振补偿电容CT1以及第一发射线圈电感LT1；所述第二发射端谐振网络包括：第二谐振电感Lp2、第三谐振补偿电容Cp2、第四谐振补偿电容CT2以及第二发射线圈电感LT2；第一和第二发射端谐振网络互补导通，实现了输入交错工作。
进一步地，该系统的电路参数的计算如下：
接收端的回路总阻抗表示为：
Figure BDA0003185420810000031
式中，ω为电路的谐振角频率，LR为接收端谐振网络的谐振电感，CR为接收端谐振网络的谐振电容，Req为负载电阻；
根根据KVL方程，接收端回路在谐振状态下有以下关系：
Figure BDA0003185420810000032
式中，ω0为谐振状态下的谐振角频率，M13和M23为接收线圈和两个发射线圈之间的互感，M12为两个发射线圈之间的互感，
Figure BDA0003185420810000033
Figure BDA0003185420810000034
k1和k2为接收线圈和两个发射线圈之间的耦合系数，k3为两个发射线圈之间的耦合系数；
由于接收端的补偿网络为LC串联谐振补偿网络，当系统工作在谐振状态时，接收端的谐振电感和谐振电容有以下关系：
Figure BDA0003185420810000035
求出接收端回路电流IR为：
Figure BDA0003185420810000036
在磁谐振WPT系统中，线圈之间能量的耦合关系可利用反射阻抗定义，能够反应出接收端的阻抗反射到发射端的特性，从而更好地将发射端和接收端结合起来分析，反射阻抗表达式为：
Figure BDA0003185420810000037
将接收端回路电流IR代入，反射阻抗可进一步推导为：
Figure BDA0003185420810000041
进一步地，第一谐发射端振网络的谐振频率为f11和f12，第二发射端谐振网络的谐振频率为f21和f22，角频率分别为ω11和ω21、ω12和ω22，且f11＝f21＝f12＝f22、ω11＝ω21＝ω12＝ω22，则有以下关系：
Figure BDA0003185420810000042
Figure BDA0003185420810000043
Figure BDA0003185420810000044
Figure BDA0003185420810000045
进一步地，对于接收端谐振网络，该部分电路作用是通过与发射端发射线圈耦合谐振，接收端谐振网络将发射端高频交流正弦信号拾取过来，从而实现该装置发射端和接收端非接触情况下电能的传输，其谐振频率为：
Figure BDA0003185420810000046
当系统发射端的谐振网络的谐振频率f11、f21、f12、f22和接收端谐振网络的谐振频率f3相等时，发射线圈才可以将能量传输到接收端，从而给负载提供能量。
进一步地，所述输出高频整流滤波电路由四个功率二极管DR1-DR4组成的全桥整流电路和并联在该全桥整流电路上的滤波电容C0组成，四个功率二极管DR1-DR4组成的全桥整流电路将接收端谐振网络接收到的高频交流正弦波变换为高频馒头波，再经过滤波电容C0将高频馒头波变换为直流电输送给负载设备使用。
进一步地，所述发射端控制模块包括微控制器、辅助供电电源、光耦隔离驱动电路、发射端无线通信模块和RS485/CAN通信模块；辅助供电电源与微控制器、光耦隔离驱动电路发射端无线通信模块和RS485/CAN通信模块连接；光耦隔离驱动电路与第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络连接。
进一步地，微控制器通过接收RS485、CAN或者发射端无线通信模块发送的信号命令，产生四路频率为f，占空比50％的PWM波，PWM波经过光耦隔离驱动电路来驱动发射端功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，从而实现发射端半桥逆变功能。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明具有抗偏移能力，双发射线圈使得磁场的区域更大，在一定偏移范围内，能实现输出电压的稳定，因此具有抗偏移能力；与传统的单发射线圈相比，双发射线圈配合双谐振网络，能进一步提升输入功率，从而增强磁场，从而传输距离更远，输出电压更高；器件选型灵活度高，由于双半桥交错工作，在同等输入电压和功率的条件下，本系统发射线圈的电流为传统无线电能传输系统的一半；双半桥交错工作，在相同的功率条件下，本系统的输入电流纹波比传统单补偿单发射的无线电能传输系统的输入电流纹波更小，系统更加稳定；传输效率高，整机谐振网络呈感性状态，可以实现软开关，提升该系统的效率。
附图说明
图1为现有技术中半桥LCCL无线电能传输电路结构图；
图2为本发明系统原理图；
图3为本发明系统结构图；
图4为本发明系统电路模型图；
图5为本发明系统等效模型；
图6为本发明系统发射端控制器模块结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图2-3所示，一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，包括发射端和接收端；
所述发射端包括输入工频整流和滤波电路，第一功率半桥逆变电路、第二功率半桥逆变电路、第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络、第一发射线圈和第二发射线圈；第一功率半桥逆变电路与第二功率半桥逆变电路并联在一起并与输入工频整流和滤波电路连接，第一发射线圈、第一发射端谐振网络和第一功率半桥逆变电路顺次连接，第二发射线圈、第二发射端谐振网络和第二功率半桥逆变电路顺次连接；所述第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络与发射端控制模块连接；
接收端包括顺次连接的接收线圈、接收端谐振网络和输出高频整流滤波电路；接收线圈接收第一发射线圈和第二发射线圈发出的信号，输出高频整流滤波电路与外接负载连接。
输入工频整流和滤波电路由四个整流二极管D1-D4组成的全桥整流电路和并联在该全桥整流电路上的滤波电容Cin组成；四个整流二极管D1-D4组成的全桥整流电路将220V市电变换为馒头波，滤波电容Cin将馒头波变换为幅值为310V的直流电输送给第一功率半桥逆变电路和第二功率半桥逆变电路。
第一功率半桥逆变电路和第二功率半桥逆变电路组成双功率半桥逆变电路，包括功率开关管Q1-Q4，功率开关管Q1和Q2组成第一功率半桥逆变电路，功率开关管Q3和Q4组成第二功率半桥逆变电路，两个功率半桥逆变电路并联一起与输入工频整流和滤波电路连接。
第一发射端谐振网络包括：第一谐振电感Lp1、第一谐振补偿电容Cp1、第二谐振补偿电容CT1以及第一发射线圈电感LT1；所述第二发射端谐振网络包括：第二谐振电感Lp2、第三谐振补偿电容Cp2、第四谐振补偿电容CT2以及第二发射线圈电感LT2；第一和第二发射端谐振网络互补导通，实现了输入交错工作。
如图4-5所示，该系统的电路参数的计算如下：
接收端的回路总阻抗表示为：
Figure BDA0003185420810000071
式中，ω为电路的谐振角频率，LR为接收端谐振网络的谐振电感，CR为接收端谐振网络的谐振电容，Req为负载电阻；
根根据KVL方程，接收端回路在谐振状态下有以下关系：
Figure BDA0003185420810000072
式中，ω0为谐振状态下的谐振角频率，M13和M23为接收线圈和两个发射线圈之间的互感，M12为两个发射线圈之间的互感，
Figure BDA0003185420810000073
Figure BDA0003185420810000074
k1和k2为接收线圈和两个发射线圈之间的耦合系数，k3为两个发射线圈之间的耦合系数；
由于接收端的补偿网络为LC串联谐振补偿网络，当系统工作在谐振状态时，接收端的谐振电感和谐振电容有以下关系：
Figure BDA0003185420810000075
求出接收端回路电流IR为：
Figure BDA0003185420810000076
在磁谐振WPT系统中，线圈之间能量的耦合关系可利用反射阻抗定义，能够反应出接收端的阻抗反射到发射端的特性，从而更好地将发射端和接收端结合起来分析，反射阻抗表达式为：
Figure BDA0003185420810000077
将接收端回路电流IR代入，反射阻抗可进一步推导为：
Figure BDA0003185420810000078
第一谐发射端振网络的谐振频率为f11和f12，第二发射端谐振网络的谐振频率为f21和f22，角频率分别为ω11和ω21、ω12和ω22，且f11＝f21＝f12＝f22、ω11＝ω21＝ω12＝ω22，则有以下关系：
Figure BDA0003185420810000081
Figure BDA0003185420810000082
Figure BDA0003185420810000083
Figure BDA0003185420810000084
对于接收端谐振网络，该部分电路作用是通过与发射端发射线圈耦合谐振，接收端谐振网络将发射端高频交流正弦信号拾取过来，从而实现该装置发射端和接收端非接触情况下电能的传输，其谐振频率为：
Figure BDA0003185420810000085
当系统发射端的谐振网络的谐振频率f11、f21、f12、f22和接收端谐振网络的谐振频率f3相等时，发射线圈才可以将能量传输到接收端，从而给负载提供能量。
输出高频整流滤波电路由四个功率二极管DR1-DR4组成的全桥整流电路和并联在该全桥整流电路上的滤波电容C0组成，四个功率二极管DR1-DR4组成的全桥整流电路将接收端谐振网络接收到的高频交流正弦波变换为高频馒头波，再经过滤波电容C0将高频馒头波变换为直流电输送给负载设备使用。
如图6所示，发射端控制模块包括微控制器、辅助供电电源、光耦隔离驱动电路、发射端无线通信模块和RS485/CAN通信模块；辅助供电电源与微控制器、光耦隔离驱动电路发射端无线通信模块和RS485/CAN通信模块连接；光耦隔离驱动电路与第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络连接。
微控制器通过接收RS485、CAN或者发射端无线通信模块发送的信号命令，产生四路频率为f，占空比50％的PWM波，PWM波经过光耦隔离驱动电路来驱动发射端功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，从而实现发射端半桥逆变功能。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括发射端和接收端；
所述发射端包括输入工频整流和滤波电路，第一功率半桥逆变电路、第二功率半桥逆变电路、第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络、第一发射线圈和第二发射线圈；第一功率半桥逆变电路与第二功率半桥逆变电路并联在一起并与输入工频整流和滤波电路连接，第一发射线圈、第一发射端谐振网络和第一功率半桥逆变电路顺次连接，第二发射线圈、第二发射端谐振网络和第二功率半桥逆变电路顺次连接；所述第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络与发射端控制模块连接；
所述接收端包括顺次连接的接收线圈、接收端谐振网络和输出高频整流滤波电路；接收线圈接收第一发射线圈和第二发射线圈发出的信号，输出高频整流滤波电路与外接负载连接。
2.根据权利要求1所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，所述输入工频整流和滤波电路由四个整流二极管D1-D4组成的全桥整流电路和并联在该全桥整流电路上的滤波电容Cin组成；四个整流二极管D1-D4组成的全桥整流电路将220V市电变换为馒头波，滤波电容Cin将馒头波变换为幅值为310V的直流电输送给第一功率半桥逆变电路和第二功率半桥逆变电路。
3.根据权利要求2所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，所述第一功率半桥逆变电路和第二功率半桥逆变电路组成双功率半桥逆变电路，包括功率开关管Q1-Q4，功率开关管Q1和Q2组成第一功率半桥逆变电路，功率开关管Q3和Q4组成第二功率半桥逆变电路，两个功率半桥逆变电路并联一起与输入工频整流和滤波电路连接。
4.根据权利要求2所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，所述第一发射端谐振网络包括：第一谐振电感Lp1、第一谐振补偿电容Cp1、第二谐振补偿电容CT1以及第一发射线圈电感LT1；所述第二发射端谐振网络包括：第二谐振电感Lp2、第三谐振补偿电容Cp2、第四谐振补偿电容CT2以及第二发射线圈电感LT2；第一和第二发射端谐振网络互补导通，实现了输入交错工作。
5.根据权利要求4所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，该系统的电路参数的计算如下：
接收端的回路总阻抗表示为：
Figure FDA0003185420800000021
式中，ω为电路的谐振角频率，LR为接收端谐振网络的谐振电感，CR为接收端谐振网络的谐振电容，Req为负载电阻；
根根据KVL方程，接收端回路在谐振状态下有以下关系：
Figure FDA0003185420800000022
式中，ω0为谐振状态下的谐振角频率，M13和M23为接收线圈和两个发射线圈之间的互感，M12为两个发射线圈之间的互感，
Figure FDA0003185420800000023
Figure FDA0003185420800000024
k1和k2为接收线圈和两个发射线圈之间的耦合系数，k3为两个发射线圈之间的耦合系数；
由于接收端的补偿网络为LC串联谐振补偿网络，当系统工作在谐振状态时，接收端的谐振电感和谐振电容有以下关系：
Figure FDA0003185420800000025
求出接收端回路电流IR为：
Figure FDA0003185420800000026
在磁谐振WPT系统中，线圈之间能量的耦合关系可利用反射阻抗定义，能够反应出接收端的阻抗反射到发射端的特性，从而更好地将发射端和接收端结合起来分析，反射阻抗表达式为：
Figure FDA0003185420800000027
将接收端回路电流IR代入，反射阻抗可进一步推导为：
Figure FDA0003185420800000031
6.根据权利要求5所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，第一谐发射端振网络的谐振频率为f11和f12，第二发射端谐振网络的谐振频率为f21和f22，角频率分别为ω11和ω21、ω12和ω22，且f11＝f21＝f12＝f22、ω11＝ω21＝ω12＝ω22，则有以下关系：
Figure FDA0003185420800000032
Figure FDA0003185420800000033
Figure FDA0003185420800000034
Figure FDA0003185420800000035
7.根据权利要求6所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，对于接收端谐振网络，该部分电路作用是通过与发射端发射线圈耦合谐振，接收端谐振网络将发射端高频交流正弦信号拾取过来，从而实现该装置发射端和接收端非接触情况下电能的传输，其谐振频率为：
Figure FDA0003185420800000036
当系统发射端的谐振网络的谐振频率f11、f21、f12、f22和接收端谐振网络的谐振频率f3相等时，发射线圈才可以将能量传输到接收端，从而给负载提供能量。
8.根据权利要求7所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，所述输出高频整流滤波电路由四个功率二极管DR1-DR4组成的全桥整流电路和并联在该全桥整流电路上的滤波电容C0组成，四个功率二极管DR1-DR4组成的全桥整流电路将接收端谐振网络接收到的高频交流正弦波变换为高频馒头波，再经过滤波电容C0将高频馒头波变换为直流电输送给负载设备使用。
9.根据权利要求8所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，所述发射端控制模块包括微控制器、辅助供电电源、光耦隔离驱动电路、发射端无线通信模块和RS485/CAN通信模块；辅助供电电源与微控制器、光耦隔离驱动电路发射端无线通信模块和RS485/CAN通信模块连接；光耦隔离驱动电路与第一发射端谐振网络、第二发射端谐振网络连接。
10.根据权利要求9所述的交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，其特在于，微控制器通过接收RS485、CAN或者发射端无线通信模块发送的信号命令，产生四路频率为f，占空比50％的PWM波，PWM波经过光耦隔离驱动电路来驱动发射端功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，从而实现发射端半桥逆变功能。
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