CN116094192A - 一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统 - Google Patents

一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统，包括发射端和接收端；发射端包括逆变单元和谐振单元，逆变单元与外部直流电源连接，谐振单元与逆变单元连接，用于通过谐振产生高频交流电压；接收端包括多路恒流输出单元，每路恒流输出单元中包括一个或多个整流单元，整流单元与负载连接，其中第一路恒流输出单元通过变压器与发射端耦合，以接收发射端发送的高频交流电压，前一路恒流输出单元通过变压器与后一路恒流输出单元连接，最后一路恒流输出单元中的最后一个整流单元与变压器之间还设置有补偿单元。根据本发明的方案，解决了无线电能传输技术中恒流输出控制过程复杂且电路成本高的问题。

Description

一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统
技术领域
本发明一般地涉及无线电能传输技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统。
背景技术
无线电能传输技术CWireless Power Transmission,WPT)，是指通过发射端将电能转换成其他形式的能量(如电磁波、机械波等)，再由接收端将该能量收集并转换成电能的，以实现一定距离的无线电能传输的方式。传统的有线供电方式中存在大量复杂的电气接线，尤其在墙体、水下及生物体等施工难度大及高度灵活设备充电的场合，无线电能传输方式的优势显得尤为突出。此外，无线电能传输在减少机械开关操作并提高供电可靠性，减少物理耗材和施工周期等方面都有着显著的优点。
伴随着新能源技术的发展，负载的精密程度越来越高，所要求的充电条件也日趋严格，基于负载无关的恒流式输出的无线电能传输方式应运而生。由于无线电能传输系统的磁路结构存在漏感大，相合系数低的问题，往往需要采用谐振补偿网络来补偿系统的漏感和励磁电感，从而有效提高有功功率的容量并实现高效率的电能传输。同时，基于电力设备、电动汽车及人体医疗植入等设备中的多器件用电需求，通过设计电能传输方式实现多路电源输出，以为多负载进行供电。
然而，目前的多路电源输出通常需要针对每个输出电路配置相应的补偿电路，以保证电源的恒流稳定输出。这种方式虽然能够保证输出的稳定性，但是电路结构复杂并且电路的组成成本较高，不利于广泛的生产应用。并且这种方式造成电路的占用空间较大，不利于实际应用。同时每个输出电路的独立调节无法兼顾系统的整体性能，导致每个输出电路的差异越来越来越大，对系统的稳定性造成较大影响。
基于此，目前亟需解决的问题是无线电能传输技术中恒流输出控制过程复杂且电路成本高的问题。
发明内容
为解决上述一个或多个技术问题，本发明提出通过在多路恒流输出单元中的最后一路中串接补偿单元，实现对整个多路恒流输出单元的输出补偿，从而简化了电路结构，减小了电路组成成本。
为此，本发明提供了一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统，包括发射端和接收端；所述发射端包括逆变单元和谐振单元，所述逆变单元与外部直流电源连接，所述谐振单元与所述逆变单元连接，用于通过谐振产生高频交流电压；所述接收端包括多路恒流输出单元，每路恒流输出单元中包括一个或多个整流单元，所述整流单元与负载连接，用于为负载进行供电，其中第一路恒流输出单元通过变压器与发射端耦合，以接收发射端发送的高频交流电压，前一路恒流输出单元通过变压器与后一路恒流输出单元连接，最后一路恒流输出单元中的最后一个整流单元与变压器之间还设置有补偿单元，用于对所述多路恒流输出单元进行补偿以实现恒流输出。
在一个实施例中，所述多路无线电能传输系统还包括采集单元、控制单元和驱动单元，所述采集单元与所述最后一路恒流输出单元连接，用于检测所述最后一路恒流输出单元中的电流信息，所述控制单元与所述采集单元连接，用于根据所述采集单元采集的最后一路恒流输出单元中的电流信息输出控制量，所述驱动单元与所述控制单元和所述发射端的逆变单元连接，用于根据所述控制量调节所述逆变单元，以调整所述多路恒流输出单元的输出。
在一个实施例中，所述控制单元用于：计算所述电流信息与设定电流之间的差值；响应于所述差值大于阈值，输出用于增大电流输出的控制量；响应于所述差值小余阈值，输出用于减小电流输出的控制量。
在一个实施例中，所述采集单元还用于采集所述最后一路恒流输出单元中的电压信息，所述控制单元还用于根据所述最后一路恒流输出单元中的电流信息和电压信息计算功率信息，以根据所述功率信息输出控制量。
在一个实施例中，所述控制单元用于：判断所述功率信息与设定功率之间的大小关系；响应于所述功率信息小于所述设定功率，输出用于减小功率输出的控制量；响应于所述功率信息大于所述设定功率，输出用于增大功率输出的控制量。
在一个实施例中，所述采集单元包括电压采样电路和电流采样电路，所述电流采样电路用于采集所述补偿单元处的电流信息，所述电压采样电路用于采集所述最后一路恒流输出单元的电压信息。
在一个实施例中，所述控制单元包括功率计算电路和比较电路，所述功率计算电路与所述电流采样电路和电压采样电路连接，用于根据所述电流信息和电压信息计算最后一路恒流输出单元的功率信息，所述比较电路与所述功率计算单元连接，用于将所述功率信息与设定功率进行比较，以输出控制量。
在一个实施例中，所述驱动单元包括PWM驱动电路，所述PWM驱动电路与所述比较电路连接，用于根据所述控制量输出对应的PWM信号，以用于调节所述逆变单元的输出。
在一个实施例中，所述补偿单元包括第一电感和第一电容，所述第一电感和第一电容串接于最后一路恒流输出单元中变压器与整流单元之间。
在一个实施例中，所述谐振单元包括LCL谐振电路，所述LCL谐振电路包括第二电感、第二电容和第三电感，所述第一电感和第二电感串联，所述第二电容的一端与所述第一电感和第二电感的串联连接点连接，所述第二电容的另一端接地。
根据本发明的方案，可以通过在多路恒流输出单元中的最后一路恒流输出单元中设置一个补偿单元，从而直接通过最后一路的补偿作用实现整体电路输出的补偿效果，有效减小了电路复杂度和组成成本。进一步，本发明中还通过对最后一路恒流输出单元中的电压和电流信息进行采集，从而通过负载需求功率的大小实现恒流调节，有效提升了恒流调节过程的灵活性。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
图1是示意性示出根据本发明的一个实施例的多路无线电能传输系统的示意图；
图2是示意性示出根据本发明的另一个实施例的多路无线电能传输系统的示意图；
图3是示意性示出根据本发明的实施例的恒流调节控制部分的示意图；
图4是示意性示出根据本发明的实施例的多路无线电能传输系统的电路组成的示意图；
图5是示意性示出根据本发明的实施例的补偿单元的一种结构的示意图；
图6是示意性示出根据本发明的实施例的补偿单元的另一种结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图来详细描述本发明的具体实施方式。
图1是示意性示出根据本发明的一个实施例的多路无线电能传输系统的示意图。
如图1所示，本发明中的多路无线电能传输系统包括发射端和接收端。发射端和接收端之间可以通过变压器T1的原边线圈和副边线圈实现互感，从而实现电能信号的无线传输。
发射端包括逆变单元和谐振单元，逆变单元与外部直流电源连接，从而将直流电转换为交流电。在一些实施例中，该逆变单元可以采用全桥结构，也可以采用半桥结构。谐振单元与逆变单元连接，用于通过谐振产生高频交流电压。该谐振单元可以采用多种形式的谐振电路，通常采用串并联连接的电容和电感实现。例如可以采用串联谐振的LC谐振电路，也可以采用串并联谐振的LCL谐振电路。
接收端包括多路恒流输出单元，每路恒流输出单元中包括一个或多个整流单元。整流单元与负载连接，用于为负载进行供电。其中第一路恒流输出单元通过变压器与发射端耦合，以接收发射端发送的高频交流电压。如图1中所示出的第一路恒流输出单元通过变压器T1与发射端耦合，从而实现无线电能供应。前一路恒流输出单元通过变压器与后一路恒流输出单元连接。例如第二路恒流输出单元可以通过变压器T2实现与第一路恒流输出单元的供电连接。基于此，可以实现多路恒流输出单元之间的无线连接。
最后一路恒流输出单元中的最后一个整流单元与变压器之间还设置有补偿单元，用于对多路恒流输出单元进行补偿以实现恒流输出。在一些实施例中该补偿单元例如可以采用电容和电感组成的补偿电路，通过该电容和电感可以组成串联谐振电路，从而为该最后一路恒流输出单元进行补偿，同时通过变压器中线圈的互感作用，实现了对多路恒流输出单元的补偿过程。在一个应用场景中，上述补偿单元可以包括第一电感L1和第一电容C1，第一电感L1和第一电容C1串接于最后一路恒流输出单元中变压器与整流单元之间。
以上结合图1对本发明的方案进行了详细说明，通过在最后一路恒流输出单元中连接一个结构简单的补偿电路，可以实现对多路恒流输出单元的补偿效果，有效减小了无线电能传输系统的电路复杂度。
为了实现对该多路无线电能传输系统的输出的有效控制，还可以通过设置相应的闭环控制结构，对该系统发射端发出的电能信号进行调节，实现更加有效的恒流控制。
在一些实施例中，该多路无线电能传输系统的闭环控制结构可以包括采集单元、控制单元和驱动单元。采集单元可以与最后一路恒流输出单元连接，用于检测所述最后一路恒流输出单元中的电流信息。采集单元例如可以通过串接于最后一路恒流输出单元中的电阻实现电流采集。控制单元与采集单元连接，用于根据采集单元采集的最后一路恒流输出单元中的电流信息输出控制量。在一些实施例中，最后一路恒流输出单元中设置有补偿单元，通过采集该最后一路恒流输出单元中的电流，获取该电路中的动态电流信息，从而实现更加准确的恒流调节过程。
驱动单元与控制单元和发射端的逆变单元连接，用于根据控制量调节所述逆变单元，以调整所述多路恒流输出单元的输出。在一些实施例中，该驱动单元可以输出PWM信号，从而实现对逆变单元的输出的调节。通过对补偿单元处电流的检测，并驱动逆变单元调整发射端的输出，从而实现了系统整体的输出调节。
基于此，上述控制单元可以用于计算所述电流信息与设定电流之间的差值。当差值大于阈值，输出用于增大电流输出的控制量。当差值小余阈值，输出用于减小电流输出的控制量。
图2是示意性示出根据本发明的另一个实施例的多路无线电能传输系统的示意图。
上述说明了通过监测最后一路恒流输出单元中的电流情况进行恒流控制的过程，除了上述方式，本发明中还可以通过最后一路恒流输出单元对应的功率情况进行恒流调节。如图2所示，采集单元还用于采集最后一路恒流输出单元中的电压信息。控制单元还用于根据所述最后一路恒流输出单元中的电流信息和电压信息计算功率信息，以根据功率信息输出控制量。
基于此，上述控制单元还可以用于：判断功率信息与设定功率之间的大小关系。响应于功率信息小于设定功率，输出用于减小功率输出的控制量。响应于功率信息大于所述设定功率，输出用于增大功率输出的控制量。
图3是示意性示出根据本发明的实施例的恒流调节控制部分的示意图。
如图3所示，采集单元包括电压采样电路和电流采样电路。电流采样电路用于采集补偿单元处的电流信息，电压采样电路用于采集所述最后一路恒流输出单元的电压信息。
在一些实施例中，上述控制单元可以包括功率计算电路和比较电路。功率计算电路与电流采样电路和电压采样电路连接，用于根据电流信息和电压信息计算最后一路恒流输出单元的功率信息。该功率计算电路例如可以通过乘法器实现，通过监测到的补偿单元处的电流Ia和该最后一路恒流输出单元的输入端的电压Ua，实现功率计算，P=Ua*Ia。
比较电路与功率计算单元连接，用于将功率信息与设定功率进行比较，以输出控制量。该比较电路还可以输入外部参考值，例如设定功率Pref，通过将上述计算得到的功率P与该设定功率Pref进行比较，从而确定用于调整逆变单元的输出的控制量。
在一些实施例中，该驱动单元包括PWM驱动电路。PWM驱动电路与比较电路连接，用于根据控制量输出对应的PWM信号，以用于调节所述逆变单元的输出。该PWM驱动电路例如可以通过具有调制解调功能的芯片实现，从而将比较电路输出的电平信号转换为PWM信号输出，以对逆变器中各开关管的通断时间进行控制。
可以理解的是上述两种实现恒流控制的方式仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员还可以采用其他的算法实现控制量的计算，从而实现更加精确地控制。
图4是示意性示出根据本发明的实施例的多路无线电能传输系统的电路组成的示意图。
如图4所示，该堵路无线电能传输系统中，发射端可以与直流电源DC连接，然后通过一个全桥结构的逆变电路实现直流向交流的转变。该逆变单元可以通过开关管的各桥臂可以通过开关管和二极管、电容并联组成DC/AC逆变拓扑结构，并采用恒频移相控制。例如上述全桥结构中的第一个桥臂通过开关管Q1与二极管D1、电容C11并联组成，其他桥臂与之采用相同的方式实现。进一步，为了提高直流电源输入的稳定性，还可以在电源输入端连接一个滤波电容C2，以抑制干扰。
接着，该逆变单元通过谐振单元实现高频正弦交流电的输出。该谐振单元例如可以采用LCL-T型无源谐振网络，通过电感L11、电感L12和电容C15组成谐振电路，实现高频谐振功能。具体地，该谐振单元包括LCL谐振电路，LCL谐振电路包括第二电感L11、第二电容C15和第三电感L12。第一电感L11和第二电感L12串联，第二电容C15的一端与第一电感L11和第二电感L12的串联连接点连接，第二电容C15的另一端接地。谐振网络不但滤除开关网络输出的方波电压中的高次谐波，还为功率开关提供软开关条件。
需要说明的是上述谐振电路的方式仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员还可以根据实际需要选择其他的高频谐振方式，例如可以采用LC、LCC或LCLC串并联高频谐振电路。与LC、LCC等谐振网络相比，LCL、LCLC串并联谐振网络具有更好的滤波特性及更宽的软开关范围，本发明采用图4所示全桥LCL串并联高频谐振电路。
直流电压udc经过逆变单元和谐振单元后输出为高频正弦交流电压uac，通过选取合适的电路拓扑及参数，不需采用任何控制即可确保其输入单位功率因数及输出电流恒定。
上述高频正弦交流电压通过变压器T1传输至接收端，实现无线电能传输。该变压器的原边可以作为发射线圈，副边可以作为接收线圈，通过线圈耦合过程实现电能信号传输。在接收端包括一个或多个恒流输出单元。例如该第一个恒流输出单元中包括i-1个整流单元，该整流单元可以通过由多个二极管和电容组成的整流电路实现。例如二极管D21、D22、D23和D24以及电容C21组成AC/DC整流电路，并为负载进行供电。
第二路恒流输出单元可以通过变压器T2与第一路恒流输出单元进行连接，此时第一路恒流输出单元与该变压器T2的原边连接，第二路恒流输出单元与该变压器T2的副边连接，通过这种方式，可以实现多路恒流输出单元的连接，从而为多负载进行供电。在最后一路恒流输出单元中，整流电路的输入端串接有通过电感和电容组成的补偿电路，该补偿电路可以通过动态谐振过程实现对该恒流输出单元中的电流补偿，从而实现整个系统的补偿效果。例如图4中示出的通过电容C1和电感L1组成的补偿电路。
需要说明的是该补偿单元的组成形式仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员可以根据实际需要选择其他的结构。例如上述电感L11、电容C15与电感L12等可以采用如图5中所示出的连接方式，即电感L11与电容C15串联，然后该串联结构与电感L12并联。或者是也可以采用如图6中所示出的结构，电感L11和电容C15串联，然后分别与电感L12和电容C16并联。
上述结构的多路无线电能传输系统具有以下特点：
第一，逆变单元实现了零电压开通和关断，整流单元没有任何有源器件，采用二极管整流桥实现零电流关断，因此开关损耗低，效率较高；第二，通过上述电路结构，输出电流恒流精度较高，实测在不同负载条件下输出电流均能稳定在某个电流值左右；第三、由于恒流模块电路十分简单可靠，增加一路输出仅需增加一个恒流模块即可，从而根据需要实现任意多路输出；第四，逆变单元及整流单元可能实现标准化，进而可能降低研发、生产及维护成本；第五，通过在最后一路恒流输出单元设置补偿单元，可以实现对整个多路恒流输出电路中各恒流输出单元的补偿作用，并且有效减小了整体电路组成的复杂度；第六，通过检测补偿单元处的电流，并利用功率进行恒流控制，从而实现了更加准确的恒流调节过程。
虽然本说明书已经示出和描述了本发明的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本发明思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本发明的过程中，可以采用对本文所描述的本发明实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本发明的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (10)

1.一种用于实现恒流输出的多路无线电能传输系统，其特征在于，包括发射端和接收端；所述发射端包括逆变单元和谐振单元，所述逆变单元与外部直流电源连接，所述谐振单元与所述逆变单元连接，用于通过谐振产生高频交流电压；
所述接收端包括多路恒流输出单元，每路恒流输出单元中包括一个或多个整流单元，所述整流单元与负载连接，用于为负载进行供电，其中第一路恒流输出单元通过变压器与发射端耦合，以接收发射端发送的高频交流电压，前一路恒流输出单元通过变压器与后一路恒流输出单元连接，最后一路恒流输出单元中的最后一个整流单元与变压器之间还设置有补偿单元，用于对所述多路恒流输出单元进行补偿以实现恒流输出。
2.根据权利要求1所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述多路无线电能传输系统还包括采集单元、控制单元和驱动单元，所述采集单元与所述最后一路恒流输出单元连接，用于检测所述最后一路恒流输出单元中的电流信息，所述控制单元与所述采集单元连接，用于根据所述采集单元采集的最后一路恒流输出单元中的电流信息输出控制量，所述驱动单元与所述控制单元和所述发射端的逆变单元连接，用于根据所述控制量调节所述逆变单元，以调整所述多路恒流输出单元的输出。
3.根据权利要求2所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述控制单元用于：
计算所述电流信息与设定电流之间的差值；
响应于所述差值大于阈值，输出用于增大电流输出的控制量；
响应于所述差值小余阈值，输出用于减小电流输出的控制量。
4.根据权利要求2所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述采集单元还用于采集所述最后一路恒流输出单元中的电压信息，所述控制单元还用于根据所述最后一路恒流输出单元中的电流信息和电压信息计算功率信息，以根据所述功率信息输出控制量。
5.根据权利要求4所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述控制单元用于：
判断所述功率信息与设定功率之间的大小关系；
响应于所述功率信息小于所述设定功率，输出用于减小功率输出的控制量；
响应于所述功率信息大于所述设定功率，输出用于增大功率输出的控制量。
6.根据权利要求4所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述采集单元包括电压采样电路和电流采样电路，所述电流采样电路用于采集所述补偿单元处的电流信息，所述电压采样电路用于采集所述最后一路恒流输出单元的电压信息。
7.根据权利要求6所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述控制单元包括功率计算电路和比较电路，所述功率计算电路与所述电流采样电路和电压采样电路连接，用于根据所述电流信息和电压信息计算最后一路恒流输出单元的功率信息，所述比较电路与所述功率计算单元连接，用于将所述功率信息与设定功率进行比较，以输出控制量。
8.根据权利要求7所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述驱动单元包括PWM驱动电路，所述PWM驱动电路与所述比较电路连接，用于根据所述控制量输出对应的PWM信号，以用于调节所述逆变单元的输出。
9.根据权利要求1所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述补偿单元包括第一电感和第一电容，所述第一电感和第一电容串接于最后一路恒流输出单元中变压器与整流单元之间。
10.根据权利要求1所述的多路无线电能传输系统，其特征在于，所述谐振单元包括LCL谐振电路，所述LCL谐振电路包括第二电感、第二电容和第三电感，所述第一电感和第二电感串联，所述第二电容的一端与所述第一电感和第二电感的串联连接点连接，所述第二电容的另一端接地。
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