CN210806860U - 一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，包括发射装置和接收装置；发射装置包括交流受控电压源、发射端控制模块和发射模块；交流受控电压源输出端与发射模块相连，交流受控电压源输入端与发射端控制模块相连；发射端控制模块包括驱动控制信号接收模块和开关驱动模块；接收装置包括接收模块、控制信号生成模块和负载，接收模块和负载串联连接；控制信号生成模块包括输出电压采样模块、驱动控制信号调理模块和驱动控制信号发射模块。本实用新型的无线电能传输系统输出电压不受耦合系数、负载大小以及负载特性的影响，具有很好的恒压输出特性，且整个系统控制简单，在实际应用中，具有显著优势。

Description

一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统
技术领域
本实用新型涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统。
背景技术
业内习知，无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)，相比于传统的导线供电方式无电气连接，具有灵活便捷、安全可靠等优点。在实际应用中，经常要求系统输出电压保持恒定，较为典型的方法是引入闭环负反馈控制，通过在一次侧加入前级变换器，或通过在二次侧加入Buck或者Boost型DC-DC变换器，尽管能达到较好的效果，但会增加控制复杂性，稳定性降低。另一种常用的方法是基于补偿网络的设计，通过拓扑自身的恒压输出特性实现对负载的恒压输出，而无需复杂的闭环负反馈控制，但系统恒压输出效果对耦合机构互感极其敏感，因此，这种方法也具有一定的局限性。另外，现有的恒压控制技术主要针对的是纯电阻负载，对于感性负载和容性负载的适用性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，通过控制负载两端输出电压与交流受控电压源输出电压相位差，实现对输出电压的恒定控制，使输出电压不受耦合系数、负载大小以及负载特性的影响。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括交流受控电压源、发射端控制模块和发射模块，所述交流受控电压源的输出端与发射模块相连，为发射模块提供能量，所述交流受控电压源的输入端与发射端控制模块相连，受发射端控制模块控制；所述发射端控制模块包括驱动控制信号接收模块和开关驱动模块，所述驱动控制信号接收模块的输出端与开关驱动模块的输入端相连，所述开关驱动模块的输出端与交流受控电压源的输入端相连，根据驱动控制信号生成开关驱动信号控制交流受控电压源的输出电压；所述接收装置包括接收模块、控制信号生成模块和负载；所述接收模块和负载串联连接；所述控制信号生成模块包括输出电压采样模块、驱动控制信号调理模块和驱动控制信号发射模块；所述输出电压采样模块的输入端与负载相连，采样输出电压相位；所述输出电压采样模块的输出端与驱动控制信号调理模块的输入端相连，所述驱动控制信号调理模块根据采样得到的输出电压相位生成与输出电压同向或者反向的方波驱动控制信号；所述驱动控制信号调理模块的输出端与驱动控制信号发射模块的输入端相连，所述驱动控制信号发射模块将驱动控制信号发送给驱动控制信号接收模块。
进一步，所述交流受控电压源的输出电压与负载两端电压同相或者反相，即发射模块的输入电压与接收模块的输出电压同相或者反相，即满足下式：
Figure BDA0002249820190000021
或π
其中，
Figure BDA0002249820190000022
为交流受控电压源的输出电压与负载两端输出电压的相位差，
Figure BDA0002249820190000023
为交流受控电压源的输出电压的相位，
Figure BDA0002249820190000024
为负载两端输出电压的相位。
进一步，所述发射模块由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收模块由串联连接的接收线圈、接收端谐振电容和接收线圈等效内阻组成。
进一步，所述发射模块的固有频率与接收模块的固有频率相同，即满足：ω1＝ω2，其中，
Figure BDA0002249820190000025
表示发射模块的固有频率，
Figure BDA0002249820190000026
表示接收模块的固有频率，L1为发射线圈的电感值，L2为接收线圈的电感值，C1为发射端谐振电容值，C2为接收端谐振电容值。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本系统通过控制负载两端输出电压与交流受控电压源输出电压相位差，实现对输出电压的恒定控制，使输出电压不仅不受负载大小影响，也不随耦合系数和负载特性的变化而变化，系统具有很好的恒压输出特性，且整个系统控制简单可靠，成本低，在实际应用中，具有显著优势。
附图说明
图1为具有恒压输出特性的无线电能传输系统的结构框图。
图2为具有恒压输出特性的无线电能传输系统的等效原理图。
图3为输入电压与输出电压之比和耦合系数的关系曲线。
图4为输入电压与输出电压之比和负载大小的关系曲线。
具体实施方式
为进一步阐述本实用新型的内容和特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明，但本实用新型的实施和保护不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的具有恒压输出特性的无线电能传输系统，包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括交流受控电压源11、发射端控制模块12和发射模块，所述交流受控电压源11的输出端与发射模块相连，为发射模块提供能量，所述交流受控电压源11的输入端与发射端控制模块12相连，受发射端控制模块12控制，所述发射模块由串联连接的发射线圈L1、发射端谐振电容C1和发射线圈等效内阻R1组成；所述发射端控制模块12包括驱动控制信号接收模块121和开关驱动模块122，所述驱动控制信号接收模块121的输出端与开关驱动模块122的输入端相连，所述开关驱动模块122的输出端与交流受控电压源11的输入端相连，根据驱动控制信号生成开关驱动信号控制交流受控电压源11的输出电压；所述接收装置包括接收模块、控制信号生成模块21和负载ZL(可为任意特性的负载)，所述接收模块和负载ZL串联连接，所述接收模块由串联连接的接收线圈L2、接收端谐振电容C2和接收线圈等效内阻R2组成；所述控制信号生成模块21包括输出电压采样模块211、驱动控制信号调理模块212和驱动控制信号发射模块213；所述输出电压采样模块211的输入端与负载ZL相连，采样输出电压相位；所述输出电压采样模块211的输出端与驱动控制信号调理模块212的输入端相连，所述驱动控制信号调理模块212根据采样得到的输出电压相位生成与输出电压同向或者反向的方波驱动控制信号；所述驱动控制信号调理模块212的输出端与驱动控制信号发射模块213的输入端相连，所述驱动控制信号发射模块213将驱动控制信号发送给驱动控制信号接收模块121。
图2为本系统的等效原理图，根据图2可得：
Figure BDA0002249820190000041
其中，
Figure BDA0002249820190000042
分别表示发射模块输入电压向量和负载两端输出电压向量，
Figure BDA0002249820190000043
Figure BDA0002249820190000044
分别为发射模块和接收模块电流向量，ZL为负载阻抗，Z1＝jωL1+1/jωC1+R1为发射模块回路阻抗，Z2＝jωL2+1/jωC2+R2为接收模块回路阻抗；ω为系统的工作频率，L1为发射线圈的电感值，L2为接收线圈的电感值；C1为发射端谐振电容值，C2为接收端谐振电容值；M12为发射线圈与接收线圈之间的互感值。
根据式(1)可得，输入电压与输出电压的比值为：
Figure BDA0002249820190000045
令式(2)虚部为零，即让输入电压与输出电压同相或者反向，可得系统工作频率为：
Figure BDA0002249820190000051
为简化分析，假设R1＝R2＝0,且L1C1＝L2C2，可得：
Figure BDA0002249820190000052
将式(4)待入式(2)，可得
Figure BDA0002249820190000053
其中，
Figure BDA0002249820190000054
为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数。由式(5)可知当输入电压固定时，输出电压保持恒定，与负载大小、负载特性和耦合系数无关。
为了进一步说明本实用新型的优点，在本实施例中，设计系统的电气参数如下：发射线圈电感L1＝100μH，接收线圈电感L2＝50μH，固有频率ω1＝ω2＝189kHz，等效内阻R1＝R2＝0.1Ω，交流受控电压源采用半桥型高频逆变电路拓扑。
图3为不同负载类型下，系统输入电压与输出电压之比和耦合系数的关系曲线，从图中可知，不论是纯电阻负载或者阻感负载，输出电压都不随耦合系数的变化而变化，具有良好的恒压特性。
图4为不同负载类型下，系统输出入电压与输出电压之比和负载大小的关系曲线，从图中可知，不论是纯电阻负载或者阻感负载，输出电压都不随负载大小的变化而变化，具有良好的恒压特性。
以上所述实施例只为本实用新型之较佳实施例，本实用新型提供一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，本实用新型及其实施例不应仅限于此，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，其特征在于：包括发射装置和接收装置；所述发射装置包括交流受控电压源、发射端控制模块和发射模块，所述交流受控电压源的输出端与发射模块相连，为发射模块提供能量，所述交流受控电压源的输入端与发射端控制模块相连，受发射端控制模块控制；所述发射端控制模块包括驱动控制信号接收模块和开关驱动模块，所述驱动控制信号接收模块的输出端与开关驱动模块的输入端相连，所述开关驱动模块的输出端与交流受控电压源的输入端相连，根据驱动控制信号生成开关驱动信号控制交流受控电压源的输出电压；所述接收装置包括接收模块、控制信号生成模块和负载；所述接收模块和负载串联连接；所述控制信号生成模块包括输出电压采样模块、驱动控制信号调理模块和驱动控制信号发射模块；所述输出电压采样模块的输入端与负载相连，采样输出电压相位；所述输出电压采样模块的输出端与驱动控制信号调理模块的输入端相连，所述驱动控制信号调理模块根据采样得到的输出电压相位生成与输出电压同向或者反向的方波驱动控制信号；所述驱动控制信号调理模块的输出端与驱动控制信号发射模块的输入端相连，所述驱动控制信号发射模块将驱动控制信号发送给驱动控制信号接收模块。
2.根据权利要求1所述的一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，其特征在于：所述交流受控电压源的输出电压与负载两端电压同相或者反相，即发射模块的输入电压与接收模块的输出电压同相或者反相，即满足下式：
Figure FDA0002249820180000015
其中，
Figure FDA0002249820180000012
为交流受控电压源的输出电压与负载两端输出电压的相位差，
Figure FDA0002249820180000013
为交流受控电压源的输出电压的相位，
Figure FDA0002249820180000014
为负载两端输出电压的相位。
3.根据权利要求1所述的一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，其特征在于：所述发射模块由串联连接的发射线圈、发射端谐振电容和发射线圈等效内阻组成；所述接收模块由串联连接的接收线圈、接收端谐振电容和接收线圈等效内阻组成。
4.根据权利要求3所述的一种具有恒压输出特性的无线电能传输系统，其特征在于：所述发射模块的固有频率与接收模块的固有频率相同，即满足：ω1＝ω2，其中，
Figure FDA0002249820180000021
表示发射模块的固有频率，
Figure FDA0002249820180000022
表示接收模块的固有频率，L1为发射线圈的电感值，L2为接收线圈的电感值，C1为发射端谐振电容值，C2为接收端谐振电容值。
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