CN1996711A - 感应耦合式无线电能传输装置 - Google Patents

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张波
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Abstract

本发明公开了一种感应耦合式无线电能传输装置，包括能量发送器，无接触变压器和能量接收器，能量发送器包括整流滤波电路、高频逆变电路和用于产生合适频率和脉宽信号的控制电路，输入的工频市电经整流滤波电路产生高压直流供给高频逆变电路，高频逆变电路将电能转换成高频交流电输出到无接触变压器初级端；无接触变压器的初、次级磁芯为彼此分隔，线圈分别绕制在对应磁芯上；能量接收器包括补偿电路、整流滤波电路和用于控制电流或电压稳定输出的PWM控制电路，补偿电路接收到无接触变压器次级端感应耦合的能量后经过整流滤波电路和PWM控制电路形成稳定输出。本发明具有软开关，输出稳定，实现供电线路与用电设备无接触的感应耦合式电能传输。

Description

感应耦合式无线电能传输装置
技术领域
本发明涉及一种电能传输装置，特别涉及一种感应耦合式无线电能传输装置。
背景技术
传统的电能的传输主要是由导线直接接触进行传输的，电源与负载之间必须要有直接的物理连接。感应耦合式无线电能传输装置是一种基于电磁感应耦合理论、现代电力电子能量变换技术及控制理论的新型电能传输模式，具体表现为可以实现供电线路和用电电器设备之间的非物理连接而进行能量传输，即“无线供电”。因此可以克服传统导线供电方式所具有的电击、火花、磨损等缺陷，具有安全和可靠等特点。
“无线供电”应用领域广泛，覆盖各种功率等级，小到人造器官、日用电器、机器人；大到移动机电设备、电动汽车、磁悬浮列车。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有软开关，输出稳定，供电线路与用电设备无接触的感应耦合式无线电能传输装置。
为了实现上述目的，本发明提供的一种感应耦合式无线电能传输装置，包括能量发送器，无接触变压器和能量接收器，所述能量发送器包括整流滤波电路、高频逆变电路和用于产生合适频率和脉宽信号的控制电路，输入的工频市电首先经整流滤波电路产生高压直流供给高频逆变电路，高频逆变电路将电能转换成高频交流电输出到无接触变压器初级端；无接触变压器的初、次级磁芯为彼此分隔，线圈分别绕制在对应磁芯上；能量接收器包括补偿电路、整流滤波电路和用于控制电流或电压稳定输出的PWM控制电路，补偿电路接收到无接触变压器次级端感应耦合的能量后经过整流滤波电路和PWM控制电路形成稳定输出。
所述的高频逆变电路采用半桥逆变结构，该电路还设有用于降低开关损耗的谐振软开关。
所述的无接触变压器的初、次级磁芯为两者以中心轴对称的圆形磁芯、两者左右对称的E型或U型磁芯。
所述能量接收器的补偿电路利用LC高频振荡原理，在无接触变压器的次级绕组上串联、并联或串并联电容。
所述能量接收器为PWM技术控制的buck型降压电路。
所述的能量接收器的输出端还设置用于为交流负载供电的直流逆变电路。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：1、能量发送端使用半桥逆变结构，结构简单，能量等级适当；2、半桥结构利用无接触变压器漏感，构成谐振环节，实现软开关，能很好提高效率。3、无接触变压器结构选择恰当，移动灵活；4、能量接收端使用PWM技术控制的buck型降压电路，输出稳定，反应快速。
附图说明
图1是本发明的系统整体框图；
图2是本发明的能量发送器主电路原理图；
图3是本发明的能量接受器补偿电路原理图；
图4是本发明的能量接受器PWM控制的buck型降压电路图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明的整体原理框图，能量发送端1包括整流滤波电路、高频逆变电路、控制电路和驱动电路，将输入的工频市电经过整流滤波，产生的高压直流供给高频逆变装置，然后通过半桥变换器将电能转换成高频交流电，输入到无接触变压器端，其中控制电路产生合适的频率和脉宽信号，以满足半桥变换器的谐振要求，改善波形，提高性能和效率，再通过驱动电路调节放大并且隔离控制信号，使之足以稳定驱动半桥结构的上下两个开关管。无接触变压器2的初次级绕组分别绕制在被彼此分隔的初次级磁芯上，通过感应耦合，实现电能无线传输；能量接收端3包括补偿电路、整流滤波电路和PWM控制电路，该接收端根据负载具体需求，调节接收到的能量，以适应负载所需。
如图2所示，为本发明的能量发送器主电路原理图，其中的高频逆变电路采用半桥结构，电路中电解电容14和电解电容15提供稳定的直流电压，控制电路产生满足电路实现谐振软开关的频率和脉宽信号，驱动电路把控制信号隔离，并放大到足以稳定驱动上下两个开关管11和12，开关管11和12的在不同时刻的导通，提供给无接触变压器初级21高频的交流电能，通过引入电容13，利用无接触变压器初级21的漏电感，实现谐振软开关，降低开关损耗，提高装置的效率。
如图3所示，无接触变压器初级21和次级22之间没有机械电气连接，通过高频电磁波传递能量。无接触变压器具有较大的气隙或其他较低导磁特性的介质，变压器初、次级之间的耦合程度较小，为了提高系统的功率传输能力，初级绕组需采用高频交流电压驱动；另外由于其间具有较大的气隙或其他较低导磁特性的介质，相应的有较大的漏感，因此虽然初级增加了谐振环节，输出性能依然较低，所以次级能量接收端引入补偿环节，可以提高输出电压和功率，提高能量传输性能，减小损耗，提高效率。具体的形式是利用LC高频振荡原理，在次级绕组串联电容31。另外，根据负载恒流或恒压需求的不同，也可采用在次级绕组并联电容补偿或串并联电容补偿。
能量接收器与变压器次级连接，具有可灵活移动的特点，发送器和接收器之间相对独立(无机械、电气连接)，但又通过无接触变压器的磁场耦合具有能量相关性。根据能量发送和接收装置所需的具体形式，可选用不同结构的磁芯：当初次级保持相对禁止或者旋转状态时，使用以中心轴对称的圆形磁芯；当初次级保持相对禁止或者水平移动时，使用左右对称的E型或U型磁芯；当初级固定，次级移动时，初级使用环形导线发送能量，次级在环形导线范围内移动，并接收能量。
如图4所示，能量接收器由补偿电路、输出整流滤波电路和PWM控制电路构成，其主电路为Buck型降压电路。通过无接触变压器22接受到能量，经过电容31补偿环节后，再经过整流和LC滤波成直流，利用脉宽调制(PWM)技术，调节开关管32的导通时间，最后经过二极管33的续流和LC滤波，形成稳定的电压或电流输出，提供负载所需的电能量。
根据负载具体需求，若为直流负载，则将次级高频电流经过整流滤波环节后为负载供电；若为交流负载，则还需对整流后的直流再逆变为所需频率和幅值的交流信号。

Claims (6)

1、一种感应耦合式无线电能传输装置，其特征在于：包括能量发送器，无接触变压器和能量接收器，所述能量发送器包括整流滤波电路、高频逆变电路和用于产生合适频率和脉宽信号的控制电路，输入的工频市电首先经整流滤波电路产生高压直流供给高频逆变电路，高频逆变电路将电能转换成高频交流电输出到无接触变压器初级端；无接触变压器的初、次级磁芯为彼此分隔，线圈分别绕制在对应磁芯上；能量接收器包括补偿电路、整流滤波电路和用于控制电流或电压稳定输出的PWM控制电路，补偿电路接收到无接触变压器次级端感应耦合的能量后经过整流滤波电路和PWM控制电路形成稳定输出。
2、根据权利要求1所述的感应耦合式无线电能传输装置，其特征在于：所述的高频逆变电路采用半桥逆变结构，该电路还设有用于降低开关损耗的谐振软开关。
3、根据权利要求1所述的感应耦合式无线电能传输装置，其特征在于：所述的无接触变压器的初、次级磁芯为两者以中心轴对称的圆形磁芯、两者左右对称的E型或U型磁芯。
4、根据权利要求1所述的感应耦合式无线电能传输装置，其特征在于：所述能量接收器的补偿电路为在无接触变压器的次级绕组上串联、并联或串并联电容。
5、根据权利要求1所述的感应耦合式无线电能传输装置，其特征在于：能量接收器为PWM技术控制的buck型降压电路。
6、根据权利要求1所述的感应耦合式无线电能传输装置，其特征在于：所述的能量接收器的输出端还设置用于为交流负载供电的直流逆变电路。
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