CN116317189A - 一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置，包括直流源、原边电路、副边电路和控制电路；原边电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第二电感；副边电路包括第三电感、第四电容和负载电阻；通过第一电容、第一开关管、第二开关管和第一电感实现降压功能，通过第二电容、第三开关管、第四开关管和第一电感实现升压功能，并通过将升压和降压相结合的方式，使得直流源输出的低压直流电压转化为原边电路输出的高压交流电压，利用此高压交流电压驱动电能耦合以实现高功率电能传输。本发明能够解决现有技术中无法在小体积磁机构的基础上实现高功率能量传输的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及非接触电能传输技术领域，尤其涉及一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置。
背景技术
在石油钻井井下工具中，经常需要在相互旋转的两部分之间传递电能。传统的电刷滑环方式，由于需要封闭旋转轴与不旋转部件之间的泥浆通道，需要设计旋转动密封的结构，可靠性很差，在钻井井下工作条件下，容易产生动密封的失效，影响设备的可靠性及使用寿命。目前国内已经开始探索采用基于电磁感应原理的非接触电能耦合传输装置。该装置的初级线圈及电路安装在旋转轴上，次级线圈及电路安装在不旋转部件上，初级线圈与次级线圈之间有泥浆介质通过，从而减少了电刷之间产生电火花的现象并可减少磨损，进而提高了设备的可靠性。
电磁耦合作为非接触式电能传输的主要方法，其发展方向是容量大、效率高、成本低和体积小，但在发展过程中也面临着很多挑战。非接触式电能传输技术的基础理论是功率变换技术，比较突出的问题是如何提高发射功率的密度。
目前的能量传输装置中，为了传输更高的功率，需要更多的磁性材料和更多的线圈匝数，从而大大增加了磁机构的体积，不利于结构空间的优化。
发明内容
本发明提供了一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置，能够解决现有技术中无法在小体积磁机构的基础上实现高功率能量传输的技术问题。
本发明提供了一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置，所述装置包括直流源、原边电路、副边电路和控制电路；
所述原边电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第二电感，所述第一电容与所述直流源并联连接，所述第一开关管的源极与所述第一电容的第一端相连，所述第一开关管的漏极分别与所述第一电感的第一端和所述第二开关管的漏极相连，所述第一电容的第二端分别与所述第二开关管的源极、所述第三开关管的源极和所述第二电容的第一端相连，所述第三开关管的漏极分别与所述第一电感的第二端和所述第四开关管的源极相连，所述第四开关管的漏极与所述第二电容的第二端相连，所述第三电容与所述第二电容并联连接，所述第二电感与所述第三电容并联连接；
所述副边电路包括第三电感、第四电容和负载电阻，所述第三电感与所述第二电感相耦合，所述第四电容与所述第三电感并联连接，所述负载电阻与所述第四电容并联连接；
所述控制电路分别与所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极相连，所述控制电路用于根据直流源输出电压、原边电路输出电压幅值和目标电压幅值的比较结果产生控制信号，并控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的打开和关闭，以实现电能传输。
优选的，在原边电路输出电压幅值大于目标电压幅值且大于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管关闭、所述第三开关管打开、所述第四开关管打开，同时降低所述第三开关管的PWM占空比，增加所述第四开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值大于目标电压幅值且小于或等于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管打开、所述第三开关管关闭、所述第四开关管打开，同时降低所述第一开关管的PWM占空比，增加所述第二开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值小于或等于目标电压幅值且大于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管关闭、所述第三开关管打开、所述第四开关管打开，同时增加所述第三开关管的PWM占空比，降低所述第四开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值小于或等于目标电压幅值且小于或等于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管打开、所述第三开关管关闭、所述第四开关管打开，同时增加所述第一开关管的PWM占空比，降低所述第二开关管的PWM占空比。
优选的，所述控制电路为嵌入式CPU。
优选的，所述开关管为低压降MOSFET。
应用本发明的技术方案，通过第一电容、第一开关管、第二开关管和第一电感实现降压功能，通过第二电容、第三开关管、第四开关管和第一电感实现升压功能，并通过将升压和降压相结合的方式，使得直流源输出的低压直流电压转化为原边电路输出的高压交流电压，利用此高压交流电压驱动电能耦合以实现高功率电能传输。本发明未改变磁性材料和线圈匝数，而是通过提高原边电路发射电流来提高装置的电能耦合效率，实现了通过小体积的能量耦合装置进行更高功率的能量传输，降低了仪器结构尺寸，在旋转导向系统等应用中获得更高的仪器使用性能，同时，该方式对系统拓扑结构改动小，系统参数易配置，能够有效提高电能传输功率。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的一种实施例提供的用于提高功率密度的非接触电能传输装置的电路图；
图2示出了根据本发明的一种实施例提供的用于提高功率密度的非接触电能传输装置的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，本发明提供了一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置，所述装置包括直流源、原边电路、副边电路和控制电路；
所述原边电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第二电感，所述第一电容与所述直流源并联连接，所述第一开关管的源极与所述第一电容的第一端相连，所述第一开关管的漏极分别与所述第一电感的第一端和所述第二开关管的漏极相连，所述第一电容的第二端分别与所述第二开关管的源极、所述第三开关管的源极和所述第二电容的第一端相连，所述第三开关管的漏极分别与所述第一电感的第二端和所述第四开关管的源极相连，所述第四开关管的漏极与所述第二电容的第二端相连，所述第三电容与所述第二电容并联连接，所述第二电感与所述第三电容并联连接；
所述副边电路包括第三电感、第四电容和负载电阻，所述第三电感与所述第二电感相耦合，所述第四电容与所述第三电感并联连接，所述负载电阻与所述第四电容并联连接；
所述控制电路分别与所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极相连，所述控制电路用于根据直流源输出电压、原边电路输出电压幅值和目标电压幅值的比较结果产生控制信号，并控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的打开和关闭，以实现电能传输。
本发明通过第一电容、第一开关管、第二开关管和第一电感实现降压功能，通过第二电容、第三开关管、第四开关管和第一电感实现升压功能，并通过将升压和降压相结合的方式，使得直流源输出的低压直流电压转化为原边电路输出的高压交流电压，利用此高压交流电压驱动电能耦合以实现高功率电能传输。本发明未改变磁性材料和线圈匝数，而是通过提高原边电路发射电流来提高装置的电能耦合效率，实现了通过小体积的能量耦合装置进行更高功率的能量传输，降低了仪器结构尺寸，在旋转导向系统等应用中获得更高的仪器使用性能，同时，该方式对系统拓扑结构改动小，系统参数易配置，能够有效提高电能传输功率。
在本发明的图1中，Q1、Q2、Q3、Q4分别表示第一、第二、第三、第四开关管，Ui表示直流源输出电压，Uo表示原边电路输出电压幅值，C1、C2、C3、C4分别表示第一、第二、第三、第四电容，L1、L2、L3分别表示第一、第二、第三电感，RL表示负载电阻。
其中，L2为原边线圈，C3为初级补偿电容，L3为副边线圈，C4为次级补偿电容，C1、Q1、Q2为降压功能组合，C2、Q3、Q4为升压功能组合，L1为降压功能和升压功能共用。
如图2所示，根据本发明的一种实施例，在原边电路输出电压幅值大于目标电压幅值且大于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管关闭、所述第三开关管打开、所述第四开关管打开，同时降低所述第三开关管的PWM占空比，增加所述第四开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值大于目标电压幅值且小于或等于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管打开、所述第三开关管关闭、所述第四开关管打开，同时降低所述第一开关管的PWM占空比，增加所述第二开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值小于或等于目标电压幅值且大于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管关闭、所述第三开关管打开、所述第四开关管打开，同时增加所述第三开关管的PWM占空比，降低所述第四开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值小于或等于目标电压幅值且小于或等于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管打开、所述第三开关管关闭、所述第四开关管打开，同时增加所述第一开关管的PWM占空比，降低所述第二开关管的PWM占空比。
通过上述设置，使原边电路输出电压幅值Uo跟随目标电压Um变化。
其中，目标电压Um根据整个耦合装置设计的高压正弦信号幅值和频率经过离散化处理得到。
根据本发明的一种实施例，所述控制电路为嵌入式CPU。
根据本发明的一种实施例，所述开关管为低压降MOSFET。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于提高功率密度的非接触电能传输装置，其特征在于，所述装置包括直流源、原边电路、副边电路和控制电路；
所述原边电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一电感和第二电感，所述第一电容与所述直流源并联连接，所述第一开关管的源极与所述第一电容的第一端相连，所述第一开关管的漏极分别与所述第一电感的第一端和所述第二开关管的漏极相连，所述第一电容的第二端分别与所述第二开关管的源极、所述第三开关管的源极和所述第二电容的第一端相连，所述第三开关管的漏极分别与所述第一电感的第二端和所述第四开关管的源极相连，所述第四开关管的漏极与所述第二电容的第二端相连，所述第三电容与所述第二电容并联连接，所述第二电感与所述第三电容并联连接；
所述副边电路包括第三电感、第四电容和负载电阻，所述第三电感与所述第二电感相耦合，所述第四电容与所述第三电感并联连接，所述负载电阻与所述第四电容并联连接；
所述控制电路分别与所述第一开关管的栅极、所述第二开关管的栅极、所述第三开关管的栅极和所述第四开关管的栅极相连，所述控制电路用于根据直流源输出电压、原边电路输出电压幅值和目标电压幅值的比较结果产生控制信号，并控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和所述第四开关管的打开和关闭，以实现电能传输。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在原边电路输出电压幅值大于目标电压幅值且大于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管关闭、所述第三开关管打开、所述第四开关管打开，同时降低所述第三开关管的PWM占空比，增加所述第四开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值大于目标电压幅值且小于或等于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管打开、所述第三开关管关闭、所述第四开关管打开，同时降低所述第一开关管的PWM占空比，增加所述第二开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值小于或等于目标电压幅值且大于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管关闭、所述第三开关管打开、所述第四开关管打开，同时增加所述第三开关管的PWM占空比，降低所述第四开关管的PWM占空比；
在原边电路输出电压幅值小于或等于目标电压幅值且小于或等于直流源输出电压的情况下，所述控制电路控制所述第一开关管打开、所述第二开关管打开、所述第三开关管关闭、所述第四开关管打开，同时增加所述第一开关管的PWM占空比，降低所述第二开关管的PWM占空比。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制电路为嵌入式CPU。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述开关管为低压降MOSFET。
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