AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置。装置包括双向反激储能单元、能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元，利用能量转移单元使双向反激储能单元和高频谐振发射单元工作互不干扰，并通过对装置发射端的脉冲式能量注入控制，使装置以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高装置无线能量传输效率，并利用双向反激变换器工作特性，使装置能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转移过程，优化装置体积与成本，增加可靠性，具有实际应用价值，与此同时，采用一级AC/AC变换器不仅可以实现单位功率因数校正而且可以减低成本，提高系统效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，属于无线电能传输

技术介绍
在感应耦合式无线能量传输系统中，发射端逆变器负责产生谐振网络线圈中所需的高频交流电，为了满足谐振网络高频电流的要求，逆变器中开关管的工作频率一般要与谐振频率相同，但随着工作频率的升高，开关管的开关损耗会导致整体传输效率的降低。为此有研究人员提出了离散注入型的发射端控制方式，即保持输入电压不变，控制逆变器的间歇性工作，使得逆变器不工作时谐振网络才以自由振荡的形式传递能量。这一工作方式虽然可以降低逆变器的开关频率，然而它并没有完全实现离散能量注入的功能。由于振荡电流衰减的速度与接收端负载状况相关，当接收端负载足够大，使得每个谐振周期内逆变器注入谐振网络的能量可以在一个周期内衰减掉，则逆变器开关频率就会与谐振频率相同。不仅如此，由于该方法中的能量注入是通过在谐振过程中将电源接入谐振网络来实现，因此注入的能量会受到谐振网络以及接收端负载状况的影响。专利1：一种基于无线电能传输的类LLC电路，申请号201510757137.6，该专利技术提供一种基于无线电能传输的类LLC电路，该电路利用将直流变成高频交流并同时完成软开关驱动的类LLC逆变驱动模块，在LLC电路软开关驱动下完成无线电能传输任务。专利2：复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法，申请号201510691216.1，该专利技术提供一种复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法，利用CLC谐振网络实现了系统的恒流输出特性和耦合机构激励电压基本不受负载变化影响，并针对发射端谐振网络引起的逆变器环流问题设计了谐波抑制电路。上述专利虽然利用特定结构谐振网络实现系统谐振电流稳定控制，但都需要逆变器工作在高频情况下，对系统电路负担较重。一般情况下，常用的H桥式和推挽式逆变器拓扑都只有单向阻断能力，因此输入只能为直流电源，而工业上应用感应耦合式无线能量传输系统的场合都只能提供50/60HZ的工频交流电源，为此在感应耦合式无线能量传输系统逆变器前端需要接入整流滤波模块，以提供稳定的直流电压输入。然而，由于工频交流电频率较低，且电压幅值通常会大于220V，因此整流滤波模块里所使用的半导体器件和储能元件的体积和功率等级都会较高，这样不仅给系统增加不小的体积和成本负担，还容易产生电磁干扰，降低系统可靠性。另外采用传统不控整流其功率因数较低，而且需要整流和逆变两级串联工作，效率较低。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术所存在的问题，提出了一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置。主要目的是通过对系统发射端拓扑的结构设计与控制，实现系统的脉冲式能量注入功能，使系统以远低于谐振频率的开关频率向接收端传输能量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高系统无线能量传输效率，并利用双向反激储能单元工作特性，使系统能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转移过程，优化系统体积与成本，增加可靠性，同时采用一级AC/AC变换器不仅可以实现单位功率因数校正而且可以减低成本，提高系统效率。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双向反激储能单元、能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元；双向反激储能单元包括双向开关支路、变压器T；变压器T的原边线圈L1和L2分别与在双向开关支路的两个支路串联；能量转移单元位于双向反激储能单元和高频谐振发射单元之间；交流电源向双向反激储能单元提供注入能量，双向反激储能单元与能量转移单元相连接，再与高频谐振发射单元相连，高频谐振发射单元通过发射线圈LT与接收线圈Lr的耦合谐振向接收端谐振单元传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗RL供电。本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元的双向开关支路由开关管S1、二极管D1和开关管S2、二极管D2组成，所述变压器T包括原边线圈L1和L2、副边线圈L3、磁芯；开关管S1连接在二极管D1正极和地之间，开关管S2连接在二极管D2负极和地之间；变压器T原边线圈L1和L2串联，并分别连接在二极管D1负极、二极管D2正极与交流电源一端之间，交流电源另一端与地相连；变压器T原边线圈L1和L2通过变压器磁芯与副边线圈L3耦合传输能量。本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元，通过控制两个开关管S1和S2，输入电流经过功率因数校正，跟踪输入电压相位，即与输入电压同相，并成正弦规律变化，装置所需传输的能量大小决定输入电流的幅值。本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能量转移单元包括二极管D3、开关管S3；二极管D3正极与变压器T副边线圈L3一端相连，二极管D3负极与开关管S3功率端相连。本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述高频谐振发射单元包括发射线圈LT、发射补偿电容CT、发射线圈电阻RT；发射线圈LT与发射线圈电阻RT串联，然后并联在发射补偿电容CT两端。本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振单元包括接收线圈Lr、接收补偿电容Cr、整流模块、负载滤波电容CL、负载阻抗RL；接收线圈Lr、接收补偿电容Cr组成并联谐振网络，并与整流模块和负载滤波电容CL相并联，最后接入负载阻抗RL；发射线圈LT与接收线圈Lr的耦合系数为K。本专利技术提出一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，根据系统中开关状态的不同，电路工作过程具体包括五个模态，实现步骤如下：步骤A：开关管S2开通，S3关断，能量转移单元将双向反激储能单元和高频谐振发射单元分隔，双向反激储能单元和高频谐振发射单元互相隔离，独立工作，双向反激储能单元从交流电源收集能量对原边电感L2充电，与此同时，高频谐振发射单元中的能量以自由振荡的形式向与之耦合的接收线圈Lr进行传递，此为模态1；步骤B：双向反激储能单元的控制器向开关管S2发出关断信号，然而为了保证变压器T中储存的能量可以完全转移到高频谐振发射单元中，能量注入必须发生在高频谐振发射单元中的补偿电容CT电压过零且电流方向为图4(b)所示的时刻后，因此该模态下开关状态不会有变化；步骤C：当符合模态2中所述能量注入条件时，首本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双向反激储能单元(1)、能量转移单元(2)、高频谐振发射单元(3)、接收端谐振单元(4)；双向反激储能单元(1)包括双向开关支路、变压器T(10)，变压器T(10)的原边线圈L1(11)和L2(12)分别与双向开关支路的两个支路串联；能量转移单元(2)位于双向反激储能单元(1)和高频谐振发射单元(3)之间；交流电源(5)向双向反激储能单元(1)提供注入能量，双向反激储能单元(1)与能量转移单元(2)相连接，再与高频谐振发射单元(3)相连，高频谐振发射单元(3)通过发射线圈LT(16)与接收线圈Lr(19)的耦合谐振向接收端谐振单元(4)传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗RL(23)供电。

【技术特征摘要】
1.一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双向反激储能单元(1)、能量转移单元(2)、高频谐振发射单元(3)、接收端谐振单元(4)；
双向反激储能单元(1)包括双向开关支路、变压器T(10)，变压器T(10)的原边线圈L1(11)和L2(12)分别与双向开关支路的两个支路串联；
能量转移单元(2)位于双向反激储能单元(1)和高频谐振发射单元(3)之间；
交流电源(5)向双向反激储能单元(1)提供注入能量，双向反激储能单元(1)与能量转移单元(2)相连接，再与高频谐振发射单元(3)相连，高频谐振发射单元(3)通过发射线圈LT(16)与接收线圈Lr(19)的耦合谐振向接收端谐振单元(4)传输能量，接收端谐振单元接收能量并向负载阻抗RL(23)供电。
2.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双向反激储能单元(1)的双向开关支路由开关管S1(6)、二极管D1(7)和开关管S2(8)、二极管D2(9)组成，所述变压器T(10)包括原边线圈L1(11)和L2(12)、副边线圈L3(13)、磁芯；开关管S1(6)连接在二极管D1(7)正极和地之间，开关管S2(8)连接在二极管D2(9)负极和地之间；变压器T(10)原边线圈L1(11)和L2(12)串联，并分别连接在二极管D1(7)负极、二极管D2(9)正极与交流电源(5)一端之间，交流电源(5)另一端与地相连；变压器T(10)原边线圈L1(11)和L2(12)通过变压器磁芯与副边线圈L3(13)耦合传输能量。
3.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述的双向反激储能单元，通过控制两个开关管S1(6)和S2(8)，输入电流经过功率因数校正，跟踪输入电压相位，即与输入电压同相，并成正弦规律变化，装置所需传输的能量大小决定输入电流的幅值。
4.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能量转移单元(2)包括二极管D3(14)、开关管S3(15)；二极管D3(14)正极与变压器T(10)副边线圈L3(13)一端相连，二极管D3(14)负极与开关管S3(15)功率端相连。
5.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述高频谐振发射单元(3)包括发射线圈LT(16)、发射补偿电容CT(17)、发射线圈电阻RT(18)；发射线圈LT(16)与发射线圈电阻RT(18)串联，然后并联在发射补偿电容CT(17)两端。
6.如权利要求1所述的一种AC/AC注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，所述接收端谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：冬雷，鞠兴龙，王亚楠，
申请(专利权)人：北京动力京工科技有限公司，冬雷，
类型：发明
国别省市：北京;11