CN115296444B - 一种无线传能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传能装置，主功率电路包括依次连接的输入直流源、原边全桥逆变器、原边高阶补偿网络、磁耦合线圈、副边串联补偿网络、副边全桥整流器和电池负载；控制电路包括输出电压/电流采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器。本发明不仅可以满足在采用次谐波控制调节输出功率时实现单位功率因数和全负载范围内软开关，降低功率器件的电流应力以及开关损耗，提升传输效率，而且保证当副边开路或原副边线圈远离时原边逆变器输出电流趋于零，为无线传能装置提供固有保护特性，副边串联补偿网络采用单电容补偿，大大降低了副边元件体积和重量，满足接收端的轻量化特点。

Description

一种无线传能装置
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种无线传能装置。
背景技术
近年来无线电能传输技术由于其安全、便捷、灵活及在恶劣工况下有着比插拔式充电更可靠的特点，迅速成为当前研究的热点，并且已经广泛应用在消费电子、医疗器械、电动汽车以及轨道交通等领域。
考虑到无线电能传输系统接收端的位置灵活性，原副边线圈耦合程度会随之变化，进而影响功率传输特性。因此，需要采用有源控制策略保证负载变化或耦合变化工况下稳定功率传输。最为常用的控制策略包括移相控制、变频控制以及次谐波控制等。由于移相控制在轻载无法实现软开关且变频控制无功环流大等问题，均会导致无线电能传输系统效率较低。次谐波控制能够实现无线电能传输系统全负载范围内软开关及单位功率因数工作，目前已成为更优的控制方案。然而，现有的次谐波控制方法仅应用在原边串联补偿拓扑中，如串联-串联（Series-Series, S-S）补偿，串联-LCC（S-LCC）补偿以及串联-CLC（S-CLC）补偿。已有的研究表明，原边串联补偿存在两个缺陷：一是当接收线圈远离发射线圈或者接收端处于开路状态时，原边等效输入阻抗几乎为零，导致原边逆变器流过超大电流，造成开关管损坏以及系统故障。二是原边串联补偿参数设计自由度低，增加了磁耦合线圈的设计难度，这与实际应用需求不符。
目前广泛应用的原边高阶补偿拓扑，如LCC补偿拓扑和LCL补偿拓扑，虽然能克服原边串联补偿拓扑的缺陷，但均不适用于次谐波控制的无线电能传输系统，导致次谐波控制以及原边高阶补偿拓扑各自的优势无法在同一无线电能传输系统中发挥作用。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种无线传能装置，该无线传能装置能够同时采用原边高阶补偿网络（LCCC）和次谐波控制策略，实现了原边高阶补偿网络与次谐波控制兼容，实现了全负载范围软开关，单位功率因数控制，增加参数设计自由度以及天然的副边开路保护功能。
本发明采用下述技术方案：一种无线传能装置，包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括依次连接的输入直流源、原边全桥逆变器、原边高阶补偿网络、磁耦合线圈、副边串联补偿网络、副边全桥整流器和电池负载；控制电路包括用于采集输出电压V 0 、输出电流I 0 的采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器。
进一步地，原边高阶补偿网络为T型补偿网络，其中，T型补偿网络的左侧支路由电感L a与第一高阶补偿电容C a组成， T型补偿网络的中间支路由并联电容C b组成，T型补偿网络的右侧支路由第二高阶补偿电容C p组成。所述副边串联补偿网络采用串联补偿，由一个副边补偿电容C s组成。
进一步地，所述的原边全桥逆变器由四个带反并联二极管的开关管S1~S4构成；所述的磁耦合线圈包括发射线圈Lp和接收线圈Ls；所述的副边全桥整流器包括四个二极管D1~D4。
进一步地，无线传能装置的交流等效电路：电池负载和副边全桥整流器作为一个等效交流负载电阻Rac，原边全桥逆变器等效为一个激励电压源，无线传能装置用以下公式描述：
Figure 97719DEST_PATH_IMAGE001
其中，u ab为激励电压源，I a为原边全桥逆变器输出电流，I p为发射线圈电流，I s为接 收线圈电流，u cd为副边串联补偿网络输出电压，j为虚数单位，
Figure 149725DEST_PATH_IMAGE002
为开关频率，M为磁耦合 线圈之间的互感。
进一步地，原边高阶补偿网络、副边串联补偿网络的参数由以下公式确定；
Figure 539118DEST_PATH_IMAGE004
其中： f 0为无线传能装置的谐振频率，
Figure 636518DEST_PATH_IMAGE002
为开关频率。
进一步地，无线传能装置工作在谐振频率下的输入阻抗Z in，原边全桥逆变器输出电流I a以及无线传能装置的输出电压V o的表达式，分别为：
Figure 111362DEST_PATH_IMAGE006
其中，U ab为原边全桥逆变器输出电压。
进一步地，次谐波控制器通过调节两种不同频率脉冲的个数进而调节原边全桥逆变器输出电压U ab满足下式：
Figure 952410DEST_PATH_IMAGE007
其中：两种脉冲的频率分别为f 0和f 0/3，N 1和N 3分别为f 0和f 0/3脉冲个数，
Figure 337255DEST_PATH_IMAGE008
为等 效电压传输比，
Figure 854824DEST_PATH_IMAGE009
。
进一步地，所述f 0频率和f 0/3频率的两种脉冲分布方式不影响原边全桥逆变器输 出电压的U ab，具体采用
Figure 567696DEST_PATH_IMAGE010
调制算法确定两种脉冲序列的分布方式。
进一步地，无线传能装置的输出电压经采样后发送到原边次谐波控制器中，输出 误差经过比例-积分补偿器生成实时等效电压传输比
Figure 196124DEST_PATH_IMAGE008
值，进而计算出双频率脉冲个数N1 和N3，其中N1和N3均为同奇同偶的整数，然后根据
Figure 307912DEST_PATH_IMAGE010
调制算法确定脉冲分布。
进一步地，原边高阶补偿网络中第二高阶补偿电容Cp小于理论计算值，保证无线传能装置的输入阻抗呈感性，原边全桥逆变器输出电流滞后于方波电压，实现功率开关管零电压开通。
进一步地，原边高阶补偿网络中电感La与第一高阶补偿Ca构成的串联谐振频率尽可能地靠近无线传能装置谐振频率，即电感La的感值可取1.2‒1.5倍的发射线圈L p的自感值，降低原边高阶补偿网络带宽，以保证只有无线传能装置谐振频率点附近的电流分量注入磁耦合线圈。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1．本发明公开了一种新型原边高阶补偿拓扑，增加了无线传能装置参数设计自由度，可设计适应不同的输出指标。通过原边高阶补偿网络的参数设计，原边全桥逆变器可采用次谐波控制，在全负载范围内实现零电压开通，且无线传能装置的原边线圈电流呈现恒流特性，输出呈现恒压特性。
2．本发明实现了原边全桥逆变器输出电压和输出电流同相位，输入阻抗呈纯阻性，降低了原边全桥逆变器中功率开关管的电压应力和电流应力。
3．本发明公开的无线传能装置，当接收线圈远离发射线圈或者接收端处于开路状态时，原边全桥逆变器等效输入阻抗趋于无穷，原边全桥逆变器流过电流几乎为零，避免了开关管损坏以及装置故障，具有天然的开路保护特性。
4．本发明公开的无线传能装置，接收端可根据实际需求采用不同补偿方式，包括串联补偿拓扑，LCC补偿拓扑以及CLC补偿拓扑等等，进而得到恒流输出特性或者恒压输出特性，移植性和可操作性强。
附图说明
图1为本发明的无线传能装置整体电路架构示意图。
图2为本发明的无线传能装置的交流等效电路图。
图3为次谐波控制的典型波形示意图。
图4为等效电压传输比
Figure 261961DEST_PATH_IMAGE008
随不同脉冲个数变化的关系图。
图5为无线传能装置的输入导纳Zin -1与开关频率之间的变化关系图。
图6为本发明的无线传能装置采用
Figure 462129DEST_PATH_IMAGE010
调制算法的仿真波形。
图7为本发明的无线传能装置未采用
Figure 628669DEST_PATH_IMAGE010
调制算法的仿真波形。
图中：1-输入直流源，2-原边全桥逆变器，3-原边高阶补偿网络，4-磁耦合线圈，5-副边串联补偿网络、6-副边全桥整流器，7-电池负载。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的无线传能装置包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括依次连接的输入直流源1、原边全桥逆变器2、原边高阶补偿网络3、磁耦合线圈4、副边串联补偿网络5、副边全桥整流器6和电池负载7；控制电路包括用于采集输出电压V 0 、输出电流I 0 的采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器。原边高阶补偿网络3为T型补偿网络，其中，T型补偿网络的左侧支路由电感L a与第一高阶补偿电容C a组成， T型补偿网络的中间支路由并联电容C b组成，T型补偿网络的右侧支路由第二高阶补偿电容C p组成。所述副边串联补偿网络采用串联补偿，由一个副边补偿电容C s组成。所述的原边全桥逆变器2由四个带反并联二极管的开关管S1~S4构成；所述的磁耦合线圈4包括发射线圈L p和接收线圈L s；所述的副边全桥整流器6包括四个二极管D1~D4。
为进一步抑制原边全桥逆变器输出电流的振荡和直流输出电压纹波。原边高阶补偿网络3中第二高阶补偿电容Cp略小于理论计算值，保证无线传能装置的输入阻抗呈感性，原边全桥逆变器输出电流略滞后于方波电压，实现功率开关管零电压开通。
原边高阶补偿网络3中电感La与第一高阶补偿Ca构成的串联谐振频率尽可能地靠近无线传能装置谐振频率，即电感La的感值可取1.2‒1.5倍的发射线圈L p的自感值，降低原边高阶补偿网络3带宽，以保证只有无线传能装置谐振频率点附近的电流分量注入磁耦合线圈4。
图2所示为本发明的无线传能装置的交流等效电路：电池负载7和副边全桥整流器6可近似为一个等效交流负载电阻Rac，原边全桥逆变器2等效为一个激励电压源。该装置可用以下公式描述为：
Figure 863472DEST_PATH_IMAGE011
（1）
其中，u ab为激励电压源，I a为原边全桥逆变器输出电流，I p为发射线圈电流，I s为接 收线圈电流，u cd为副边串联补偿网络输出电压，j为虚数单位，
Figure 722844DEST_PATH_IMAGE012
为开关频率，M为磁耦合 线圈4之间的互感。
由式（1）可推导出该无线传能装置的输入阻抗Zin为：
Figure 144729DEST_PATH_IMAGE014
（2）
其中，Rac为等效交流负载电阻；
为降低无线传能装置的无功环流，通常使无线传能装置工作在谐振频率点，原边高阶补偿网络3、副边串联补偿网络5的参数由以下公式确定；
Figure 521483DEST_PATH_IMAGE015
（3）
其中： f 0为无线传能装置的谐振频率，
Figure 860061DEST_PATH_IMAGE016
为开关频率。
联立公式（1）-（3）并参考图1，可推导计算出无线传能装置工作在谐振频率下的输入阻抗Z in，原边全桥逆变器输出电流I a以及无线传能装置的输出电压V o的表达式，分别为：
Figure 643996DEST_PATH_IMAGE018
（4）
其中，U ab为原边全桥逆变器输出电压。
可见，当无线传能装置工作在谐振频率点时，输入阻抗Zin呈纯阻性，可实现单位功率因数控制；当接收线圈远离发射线圈或者接收端处于开路状态时，即磁耦合线圈4之间的互感M为零或者等效交流负载电阻R ac趋于无穷大，则原边全桥逆变器输出电流I a几乎为零；无线传能装置的输出电压V o与等效交流负载电阻R ac无关，故该无线传能装置呈恒压输出特性。
为满足线圈耦合或者负载工况发生变化时输出功率保持恒定，采用次谐波控制调节原边全桥逆变器输出电压U ab，其典型波形如图3所示，其中T 0为无线传能装置的谐振周期，T 0=1/f 0，T PT为次谐波控制周期，包含N 1个f 0频率脉冲P1以及N 3个f 0/3频率脉冲P3。根据傅里叶级数展开：
Figure 68024DEST_PATH_IMAGE019
（5）
Figure 327098DEST_PATH_IMAGE021
（6）
其中，a 0为傅里叶变换系数Ⅰ，a n为傅里叶变换系数Ⅱ，bn为傅里叶变换系数Ⅲ，t为时间变量，n为整数，u ab 为激励电压源，N 1为f 0频率脉冲个数，N 3为f 0/3频率脉冲个数；
可计算得到原边全桥逆变器输出电压U ab：
Figure 520182DEST_PATH_IMAGE023
（7）
其中，U in为输入直流源电压。
通过调节f 0频率脉冲个数N 1和f 0/3频率脉冲个数N 3可以改变原边全桥逆变器输出 电压U ab。等效电压传输比
Figure 737668DEST_PATH_IMAGE024
，图4所示为等效电压传输比
Figure 383413DEST_PATH_IMAGE025
随不同脉冲个数变化的关系图。可以看出，当f 0/3频率脉冲个数N 3固定时，等效电压传输比
Figure 446178DEST_PATH_IMAGE025
随着f 0频率脉冲个数N 1的增加而逐渐增加，反之亦然；当f 0频率脉冲个数N 1固定时，等效 电压传输比
Figure 634714DEST_PATH_IMAGE026
随着f 0/3频率脉冲个数N 3的增加而逐渐降低，反之亦然。
次谐波控制器的工作原理可描述如下：无线传能装置的输出电压经采样后发送到 次谐波控制器中，输出误差经过比例-积分补偿器生成实时等效电压传输比
Figure 6789DEST_PATH_IMAGE027
，进而计算出 双频率脉冲个数N1和N3，然后根据
Figure 887633DEST_PATH_IMAGE028
调制算法确定脉冲分布，包括以下步骤：
步骤1：若N1>N3，则记录NA=N1，NB=N3，双频率脉冲序列分别记作SubAk=[f 0]，SubBk=[f 3]；若N1<N3，则记录NA=N3，NB=N1，双频率脉冲序列分别记作SubAk=[f 3]，SubBk=[f 0]，其中[f 0]和[f 3]分别为频率为f0和f3的脉冲，NA和NB均为整数，为算法中间变量。
步骤2：计算NA/NB的商和余数，分别记作商q=NA/NB，余数r=NA mod NB。
步骤3：若r>NB-r，则记录NA=r，NB=NB-r；此时，脉冲序列SubAk+1=[SubAk, …,SubBk]，其中SubAk的个数为q+1；SubBk+1=[ SubAk, …, SubBk]，其中SubAk的个数为q；反之，若r<NB-r，则记录NA= NB-r，NB=r；此时，脉冲序列SubAk+1= [SubAk, …, SubBk]，其中SubAk的个数为q；SubBk+1=[ SubAk, …, SubBk]，其中SubAk的个数为q+1；
步骤4：计算NB是否为零，如果是，则输出脉冲序列Out=[ SubAk, …]，其中SubAk的 个数为NA；否则，重复步骤2，直至NB为零，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
调制算法结束。
图5为本发明原边高阶补偿无线传能装置的输入导纳Zin -1与开关频率之间的变化关系图。可以看出，该装置原边高阶补偿网络3、副边串联补偿网络5所构成的谐振网络具有带通滤波器特性。不同脉冲个数下原边全桥逆变器输出电压Uab中的谐波含量分布，低次和高次谐波均被迅速衰减，仅有谐振频率附近的激励电压含量能注入谐振网络中，故原边全桥逆变器输出电流几乎呈正弦状，波形失真较小。
图6、图7给出本发明的无线传能装置采用
Figure 347564DEST_PATH_IMAGE030
调制算法和未采用
Figure DEST_PATH_IMAGE031
调制算法的 仿真波形对比。可以看出，当未采用
Figure 328290DEST_PATH_IMAGE032
调制算法，原边全桥逆变器输出电流振荡较大，增 加了功率开关管和补偿元件的电流应力，同时也导致输出电压纹波也相应较大。然而，当采 用
Figure DEST_PATH_IMAGE033
调制算法时，双频率脉冲的分布较为均匀，原边全桥逆变器输出电流振荡较小，几 乎呈正弦状，输出电压纹波也相应降低。进行实验时，本发明无线传能装置的原边全桥逆变 器输出电流近似正弦，波形失真较小，同时实现了零电压开通和单位功率因数；当接收线圈 逐渐远离发射线圈时，即磁耦合线圈4之间的互感M逐渐减小，原边全桥逆变器输出电流趋 于零，从而说明本发明所提无线传能装置具有天然的开路保护特性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种无线传能装置，其特征在于，包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括依次连接的输入直流源、原边全桥逆变器、原边高阶补偿网络、磁耦合线圈、副边串联补偿网络、副边全桥整流器和电池负载；控制电路包括用于采集输出电压、输出电流的采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器；原边高阶补偿网络为T型补偿网络，T型补偿网络的左侧支路由电感L a与第一高阶补偿电容C a组成， T型补偿网络的中间支路由并联电容C b组成，T型补偿网络的右侧支路由第二高阶补偿电容C p组成；
次谐波控制器通过调节两种不同频率脉冲的个数进而调节原边全桥逆变器输出电压U ab，满足下式：
Figure 343895DEST_PATH_IMAGE002
其中：两种脉冲的频率分别为f 0和f 0/3，N 1和N 3分别为f 0和f 0/3脉冲个数，δ为等效电压传输比，δ=（N1+N3）/(N1+3*N3)，U in为输入直流源电压。
2.根据权利要求1所述的无线传能装置，其特征在于；所述副边串联补偿网络采用串联补偿，由一个副边补偿电容C s组成。
3.根据权利要求1所述的无线传能装置，其特征在于，所述的原边全桥逆变器由四个带反并联二极管的开关管S1~S4构成；所述的磁耦合线圈包括发射线圈Lp和接收线圈Ls；所述的副边全桥整流器包括四个二极管D1~D4。
4.根据权利要求2所述的无线传能装置，其特征在于：电池负载和副边全桥整流器作为一个等效交流负载电阻Rac，原边全桥逆变器等效为一个激励电压源，无线传能装置用以下公式描述：
Figure 654790DEST_PATH_IMAGE004
其中，u ab为激励电压源，I a为原边全桥逆变器输出电流，I p为发射线圈电流，I s为接收线圈电流，u cd为副边串联补偿网络输出电压，j为虚数单位，ω为开关频率，M为磁耦合线圈之间的互感。
5.根据权利要求4所述的无线传能装置，其特征在于：原边高阶补偿网络、副边串联补偿网络的参数由以下公式确定；
Figure 581158DEST_PATH_IMAGE006
其中： f 0为无线传能装置的谐振频率，ω为开关频率。
6.根据权利要求5所述的无线传能装置，其特征在于：无线传能装置工作在谐振频率下的输入阻抗Z in，原边全桥逆变器输出电流I a以及无线传能装置的输出电压V o的表达式，分别为：
Figure 129951DEST_PATH_IMAGE008
其中，U ab为原边全桥逆变器输出电压。
7.根据权利要求1所述的无线传能装置，其特征在于：所述f 0频率和f 0/3频率的两种脉冲分布方式不影响原边全桥逆变器输出电压U ab，采用Σ-Δ调制算法确定两种脉冲序列的分布方式。
8.根据权利要求1所述的无线传能装置，其特征在于：无线传能装置的输出电压经采样后发送到原边次谐波控制器中，输出误差经过比例-积分补偿器生成实时等效电压传输比δ值，进而计算出双频率脉冲个数N1和N3，其中N1和N3均为同奇同偶的整数，然后根据Σ-Δ调制算法确定脉冲分布。
9.根据权利要求2所述的无线传能装置，其特征在于：原边高阶补偿网络中第二高阶补偿电容Cp小于理论计算值，原边全桥逆变器输出电流滞后于方波电压，电感La的感值取1.2‒1.5倍的发射线圈L p的自感值。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002021670A1 (en) * 2000-09-08 2002-03-14 Park Joon Ho Switching mode power supply with high efficiency
CN103296871A (zh) * 2013-05-26 2013-09-11 北京汇能精电科技有限公司 单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法
WO2015156628A1 (ko) * 2014-04-11 2015-10-15 엘지전자(주) 무선 전력 송신기 및 무선 전력 송신 방법
CN105591384A (zh) * 2014-11-14 2016-05-18 国家电网公司 一种分布式同步串联补偿器

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103746462B (zh) * 2013-07-11 2016-01-20 重庆米亚车辆技术有限公司 一种用于无线电能传输的双边lcc补偿网络及其调谐方法
CN109302070A (zh) * 2018-10-09 2019-02-01 李建科 电力变换器电路拓扑结构及其控制方法
CN110048520A (zh) * 2019-05-08 2019-07-23 燕山大学 原边具有c-lcc补偿网络的无线充电装置
CN211151627U (zh) * 2019-09-06 2020-07-31 天津大学 一种基于llc拓扑结构的无线供电电路
CN110912280A (zh) * 2019-11-27 2020-03-24 北京交通大学 基于双向倍压电路的无线电能传输系统
CN114050666A (zh) * 2021-10-27 2022-02-15 西安理工大学 一种用于无线电能传输系统的效率优化控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002021670A1 (en) * 2000-09-08 2002-03-14 Park Joon Ho Switching mode power supply with high efficiency
CN103296871A (zh) * 2013-05-26 2013-09-11 北京汇能精电科技有限公司 单相逆变器输入电压纹波调制补偿方法
WO2015156628A1 (ko) * 2014-04-11 2015-10-15 엘지전자(주) 무선 전력 송신기 및 무선 전력 송신 방법
CN105591384A (zh) * 2014-11-14 2016-05-18 国家电网公司 一种分布式同步串联补偿器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于软开关的双馈风电变流器直流母线电压补偿方法;王朋等;《新型工业化》;20170320(第03期);全文 *

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