CN113937911B - 一种双发射无线电能传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双发射无线电能传输装置，属于无线电能传输(WPT)技术领域。该装置包括主电路部分和控制电路部分，系统主电路包括交流电源、滤波电路、AC‑AC变换器、发射线圈Lp1及其补偿网络1、发射线圈Lp2及其补偿网络2、接收线圈Ls、接收端补偿网络3、整流器、滤波电容Co和负载电阻Ro；控制电路包含电压传感器、调理电路、A/D转换、控制器和驱动电路。本发明针对双发射WPT系统，提出了一种新型单级双输出AC‑AC变换器，该变换器可以产生两路相同的输出，分别驱动双发射WPT系统的两个发射线圈，可减少变换器的使用个数，同时能实现工频交流电源到高频交流电源的直接转换，有利于减少系统的体积和成本。

Description

一种双发射无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及一种双发射无线电能传输装置，属于无线电能传输(Wireless PowerTransfer,WPT)技术领域。
背景技术
在动态无线电能传输系统和高抗偏移无线电能传输系统中，经常会使用两个发射线圈的结构来进行能量的传输，优化双发射WPT系统中的变换器结构对整个系统的稳定运行具有重要意义。目前，传统型双发射WPT系统主要采用AC-DC-AC间接型交-交变换器，该拓扑结构需要进行多次电能变换，增加了电能传输的损耗；近年来，双发射WPT系统采用两个逆变器分别给两个线圈供电，增加了系统的成本及复杂性。为此，双发射WPT系统装置有待进一步研究与完善。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种双发射无线电能传输装置，减少了双发射无线电能传输系统电能变换的次数，为双发射无线电能传输系统提供了一种新思路。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种双发射无线电能传输装置，该装置包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：系统主电路包括交流电源、滤波电路、AC-AC变换器、发射线圈Lp1及其补偿网络1、发射线圈Lp2及其补偿网络2、接收线圈Ls、接收端补偿网络3、整流器、滤波电容Co和负载电阻Ro；所述滤波电路的输入端连接交流电源，滤波电路的输出端连接AC-AC变换器，AC-AC变换器的输出电压v1端连接补偿网络1输入端，补偿网络1输出端连接发射线圈Lp1，AC-AC变换器的输出电压v2端连接补偿网络2输入端，补偿网络2输出端连接发射线圈Lp2，接收线圈Ls连接补偿网络3输入端，补偿网络3输出端连接整流器输入端，整流器输出端连接滤波电容Co，滤波电容Co输出端连接负载电阻Ro；所述AC-AC变换器的电路由四个具有反向并联二极管的全控型功率开关器件构成，其中开关S1和开关S2由两个相同的全控型功率开关器件反向串联组成双向开关S12，开关S3和开关S4由两个相同的全控型功率开关器件反向串联组成双向开关S34，双向开关S12上端连接滤波电路输出上端，双向开关S12下端连接双向开关S34上端，双向开关S34下端连接滤波电路输出下端；开关S12的两端作为输出电压v1端，输出电压v1正端连接补偿网络1的输入上端，输出电压v1负端连接补偿网络1的输入下端，补偿网络1的输出端连接发射线圈Lp1，开关S34的两端作为输出电压v2端，输出电压v2正端连接补偿网络2的输入下端，输出电压v2负端连接补偿网络2的输入上端，补偿网络2的输出端连接发射线圈Lp2；所述控制电路包括电压传感器、调理电路、A/D转换电路、控制器、驱动电路，其中，电压传感器输入端连接滤波电路输出端，调理电路输入端连接电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路输出端连接控制器，控制器输出端连接驱动电路，驱动电路输出端连接AC-AC变换器的四个开关管。
上述的一种双发射无线电能传输装置，所述AC-AC变换器的电路在功率开关器件高频工作时输出两路互补的方波电压v1和v2，通过反接AC-AC变换器其中一路输出来保持两个发射线圈的电流同相。
上述的一种双发射无线电能传输装置，所述AC-AC变换器控制方法如下，在输入电压vf为正时，开关S2和开关S4导通，S1和S3在非死区时间内互补导通，所述AC-AC变换器在输入电压vf小于或者等于0时，开关S1和开关S3导通，S2和S4在非死区时间内互补导通。本发明的有益效果：
本发明创造性的设计了一种双发射无线电能传输装置及其控制方法，为双发射线圈无线电能传输系统提供了一种新的变换器结构，减少了系统中电能变换的次数，从而减少了器件数量，降低了系统成本和体积，采用开环控制，控制简单，减少了变换器控制复杂度，为双发射WPT系统装置问题提供了一种新的解决方法。
附图说明
图1为本发明所述一种双发射无线电能传输装置电路图。
图2为本发明所述一种双发射无线电能传输装置在LCC-S补偿结构下的仿真电路图。
图3为本发明所述一种双发射无线电能传输装置的控制策略。
图4为本发明所述一种双发射无线电能传输装置在工频正半周的工作模式。
图5为本发明所述一种双发射无线电能传输装置在工频负半周的工作模式。
图6为本发明仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。如图1所示，一种双发射无线电能传输装置电路图，包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：系统主电路包括交流电源、滤波电路、AC-AC变换器、发射线圈Lp1及其补偿网络1、发射线圈Lp2及其补偿网络2、接收线圈Ls、接收端补偿网络3、整流器、滤波电容Co和负载电阻Ro；所述滤波电路的输入端连接交流电源，滤波电路的输出端连接AC-AC变换器，AC-AC变换器的输出电压v1端连接补偿网络1输入端，补偿网络1输出端连接发射线圈Lp1，AC-AC变换器的输出电压v2端连接补偿网络2输入端，补偿网络2输出端连接发射线圈Lp2，接收线圈Ls连接补偿网络3输入端，补偿网络3输出端连接整流器输入端，整流器输出端连接滤波电容Co，滤波电容Co输出端连接负载电阻Ro；所述控制电路包括电压传感器、调理电路、A/D转换电路、控制器、驱动电路，其中，调理电路输入端连接电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路输出端连接控制器，控制器输出端连接驱动电路，驱动电路输出端连接AC-AC变换器的四个开关管。
所述AC-AC变换器的电路由四个具有反向并联二极管的全控型功率半导体器件构成，其中开关S1和开关S2由两个相同的全控型功率半导体器件反向串联组成电力电子双向开关S12，其中开关S3和开关S4由两个相同的全控型功率半导体器件反向串联组成电力电子双向开关S34，开关S12的一端连接滤波电路一次侧，开关S12的另一端连接开关S34，开关S34的另一端连接滤波电路的二次侧；开关S12的两端作为输出电压v1端，连接补偿网络1的输入端，补偿网络1的输出端连接发射线圈Lp1，开关S34的两端作为输出电压v2端，连接补偿网络2的输入端，补偿网络1的输出端连接发射线圈Lp2。
所述AC-AC变换器的电路在功率开关器件高频工作时输出两路互补的方波电压v1和v2，通过反接AC-AC变换器其中一路输出来保持两个发射线圈的电流同相。
如图2所示，当采用LCC-S补偿结构时，发射线圈Lp1的补偿电容Cp1、补偿电容C1、补偿电感L1,发射线圈Lp2的补偿电容Cp2、补偿电容C2、补偿电感L2，接收线圈Ls的补偿电容CS满足下述条件：
Figure GDA0004079093990000051
其中f是系统工作频率。
所述AC-AC变换器控制方法如下，如图3(a)所示，在输入电压vf为正时，开关S2和开关S4导通，S1和S3在非死区时间内互补导通，其工作模式如图4所示。如图3(b)所示，在输入电压vf小于或者等于0时，开关S1和开关S3导通，S2和S4在非死区时间内互补导通，其工作模式如图5所示。
为了验证本文所提的一种双输出AC-AC变换器及其构成的无线电能传输装置的可行性，按照图2中的具体电路图和表1中的系统参数，在MATLAB/Simulink中搭建本发明所述多发射WPT系统仿真模型。
表1仿真系统参数表
Figure GDA0004079093990000061
图6是本发明在表1系统参数下MATLAB/Simulink的仿真结果波形，图6(a)是变换器两路输出的电压和电流波形，图6(b)为图6(a)的局部放大图，可以看出在高频工作频率下，变换器的输出电压为单极性方波电压，极性随工频输入电源一致，变换器的输出电流i1和i2,大小相等，相位相反，在实际应用中为保证两个发射线圈的电流相位一致，应改变变换器的一路输出连接方向；图6(c)是两个发射线圈的电流波形，图6(d)为图6(c)的局部放大图，可以看到两个发射线圈的电流相位一致，从而避免了耦合机构功率抵消；图6(e)是接收端的电压和电流波形，图6(f)为图6(e)的局部放大图；根据LCC-S补偿网络的恒压输出的特性，负载电阻Ro为20Ω，50Ω，100Ω为仿真输出电压基本保持不变，系统在Ro为20Ω时，效率为93％。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。显然这些改动和变型均应属于本发明要求的保护范围保护内。

Claims (3)

1.一种双发射无线电能传输装置，该装置包括主电路部分和控制电路部分，其特征在于：系统主电路包括交流电源、滤波电路、AC-AC变换器、发射线圈Lp1及其补偿网络1、发射线圈Lp2及其补偿网络2、接收线圈Ls、接收端补偿网络3、整流器、滤波电容Co和负载电阻Ro；所述滤波电路的输入端连接交流电源，滤波电路的输出端连接AC-AC变换器，AC-AC变换器的输出电压v1端连接补偿网络1输入端，补偿网络1输出端连接发射线圈Lp1，AC-AC变换器的输出电压v2端连接补偿网络2输入端，补偿网络2输出端连接发射线圈Lp2，接收线圈Ls连接补偿网络3输入端，补偿网络3输出端连接整流器输入端，整流器输出端连接滤波电容Co，滤波电容Co输出端连接负载电阻Ro；所述AC-AC变换器的电路由四个具有反向并联二极管的全控型功率开关器件构成，其中开关S1和开关S2由两个相同的全控型功率开关器件反向串联组成双向开关S12，开关S3和开关S4由两个相同的全控型功率开关器件反向串联组成双向开关S34，双向开关S12上端连接滤波电路输出上端，双向开关S12下端连接双向开关S34上端，双向开关S34下端连接滤波电路输出下端；开关S12的两端作为输出电压v1端，输出电压v1正端连接补偿网络1的输入上端，输出电压v1负端连接补偿网络1的输入下端，补偿网络1的输出端连接发射线圈Lp1，开关S34的两端作为输出电压v2端，输出电压v2正端连接补偿网络2的输入下端，输出电压v2负端连接补偿网络2的输入上端，补偿网络2的输出端连接发射线圈Lp2；所述控制电路包括电压传感器、调理电路、A/D转换电路、控制器、驱动电路，其中，电压传感器输入端连接滤波电路输出端，调理电路输入端连接电压传感器，调理电路输出端连接A/D转换电路，A/D转换电路输出端连接控制器，控制器输出端连接驱动电路，驱动电路输出端连接AC-AC变换器的四个开关管。
2.如权利要求1所述的一种双发射无线电能传输装置，其特征在于：所述AC-AC变换器的电路在功率开关器件高频工作时输出两路互补的方波电压v1和v2，通过反接AC-AC变换器其中一路输出来保持两个发射线圈的电流同相。
3.如权利要求1所述的一种双发射无线电能传输装置，其特征在于：在输入电压vf为正时，开关S2和开关S4导通，S1和S3在非死区时间内互补导通，所述AC-AC变换器在输入电压vf小于或者等于0时，开关S1和开关S3导通，S2和S4在非死区时间内互补导通。
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