基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统技术方案

本发明专利技术提出一种基于SS拓扑的无线能量传输系统，用于解决现有技术中负载较大时效率较低和系统复杂的技术问题，包括由市电输入模块和DC_DC降压模块共同组成的输入电源模块、初级逆变模块、初级阻抗匹配模块、WPT模块、次级阻抗匹配模块和次级整流滤波模块，通过设计WPT模块中初级与次级线圈为导线螺旋缠绕在两个开口相对放置的U型磁芯底部的结构，并设计次级阻抗匹配模块将WPT模块的输出阻抗匹配到最佳负载点，提高了系统传输效率，此外设计初级阻抗匹配模块提升初级逆变模块的输出阻抗，令DC_DC降压模块与市电输入模块组成的输入电源模块得以适用，替代复杂的直流稳压电源或含变压器的开关电源模块，简化了系统。

【技术实现步骤摘要】
基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统
本专利技术属于无线能量传输
，涉及一种磁谐振无线能量传输系统，具体涉及一种基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，用于较大负载的无线供电。
技术介绍
无线能量传输(WirelessPowerTransmission，WPT)技术一直是人类研究的热门话题，主要是以非接触的方式对供电设备进行电能传输。与有线能量传输相比，它避免了用电设备之间主要通过导线连接获取能量过程中产生电火花、导线裸露、磨损等不安全供电因素。无线能量传输技术的出现为某些特殊场合：比如，密封环境、旋转部件、水下监测等的供电开辟了新的供电途径；同时开拓了在感应电动汽车、高速磁悬浮列车馈电、医疗设备、消费电子及传感器网络等方面的应用。无线能量传输系统主要分为电波辐射式、感应耦合式和磁谐振式三种类型，其中磁谐振式主要是利用两个线圈在电磁场近场范围内的磁场共振实现电能-磁能-电能的无线能量传输。无线能量传输系统与电波辐射式无线能量传输系统相比，具有传输功率大、传输效率高和无方向性的特点，且传输功率从以前的毫瓦级提高到千瓦级，传输效率也得到大大的提升，与感应耦合式无线能量传输系统相比，传输距离大大提高，突破了感应耦合式无线能量传输系统的无线传输距离仅在毫米等级以内的限制。现有常见磁谐振无线能量传输系统主要由输入电源模块、初级逆变模块、WPT模块和次级整流滤波模块构成，其系统传输效率和复杂度等是衡量一个系统好坏的重要指标。其WPT模块采用的最基本的是双线圈结构，其根据初级发射线圈和次级接收线圈分别与其初级谐振补偿电容和次级谐振补偿电容的连接方式不同，可分为串联—串联(SS)拓扑、串联—并联(SP)拓扑、并联—串联(PS)拓扑、并联—并联(PP)拓扑。其中SS拓扑具有其初级反射阻抗与负载无关、适用于小负载系统等良好特性，得到了大量的研究和应用。例如，申请公布号为CN107681791A,名称为“一种半桥谐振无线能量传输系统”的专利申请，公开了一种半桥谐振无线能量传输系统，包括直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路，该专利技术主要通过BUCK电路以及辅助电路的控制实现系统谐振状态的维持，以此实现较为高效的电能传输。但是其第一谐振器与第二谐振器中的线圈结构简单，其第二谐振器与负载直接相连，导致两个线圈之间的无线能量传输效率提升有限。另外，对于SS拓扑，由于其自身特性的原因，对于较大负载而言，其对应的初级反射阻抗很小，这意味着在满足一定功率输出下其只需要很小的供电电压，直流稳压电源体积庞大，不易于无线能量系统集成与产品化，但如果从接入市电开始自己设计一个无线能量传输系统，其前级也需要设计含变压器的较为复杂的开关电源模块作为输入电源模块才能满足应用。综上所述，针对于较大负载情况，如何考虑从无线能量传输系统的各个部分进行优化，设计一个完整的从接入市电开始的高效且构造简单的SS拓扑磁谐振无线能量传输系统是一个有待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，用于解决现有技术中存在的负载较大时效率较低和系统复杂的技术问题。为实现以上目的，本专利技术采用的技术方案包括顺次连接的输入电源模块1、初级逆变模块2、WPT模块3和次级整流滤波模块4，其中：所述输入电源模块1，用于将输入的交流市电转化为可调直流电输出；所述初级逆变模块2，用于将输入的直流电压转换为高频交流电压输出，包括第一开关MOS管S1和第二开关MOS管S2，S2的漏极端与S1的源极端相连，源极端接地；所述WPT模块3，用于实现电能-磁能-电能的无线能量传输，包括相互串联的初级发射线圈Lp和其初级谐振补偿电容Cp，以及相互串联的次级接收线圈Ls和其次级谐振补偿电容Cs，且相互串联的初级发射线圈Lp和其初级谐振补偿电容Cp与相互串联的次级接收线圈Ls和其次级谐振补偿电容Cs相对排布；所述次级整流滤波模块4，用于将输入的高频交流电转化为平滑稳定的直流电输出，包括由四个肖特基或快恢复类型的二极管构成的整流桥，以及与整流桥输出一端相连的第一滤波电容CL，所述第一滤波电容CL与整流桥输出的另一端接地；所述输入电源模块1，包括市电输入模块11和DC_DC降压模块12，所述市电输入模块11，用于将输入的交流市电转化为平滑稳定的直流电输出，包括一端相互连接，另一端接地的工频整流桥和第二滤波电容C；所述DC_DC降压模块12，用于将输入电源模块11输出的直流电实现可调降压输出，包括高压功率MOS管Sb、快恢复二极管Db、电感Lb和第三滤波电容Cb；所述高压功率MOS管Sb的漏极端与所述第二滤波电容C未接地的那一端相连；所述快恢复二极管Db负极与Sb的源极端与相连，正极接地；所述电感Lb一端与所述快恢复二极管Db负极相连，另一端与所述第三滤波电容Cb和所述第一开关MOS管S1的漏极端相连，所述第三滤波电容Cb的另一端接地；所述初级逆变模块2与所述WPT模块3之间连接有初级阻抗匹配模块5，该初级阻抗匹配模块5，用于提升所述初级逆变模块2的输出端端口阻抗，包括第一匹配电感Lf、第一匹配电容Cf、第二匹配电感Lm2和第二匹配电容Cm2；所述第一匹配电感Lf的一端与所述第一开关MOS管S1的源极端和第二开关MOS管S2的漏极端相连，另一端与所述第一匹配电容Cf的一端相连；所述第二匹配电容Cm2的一端与所述第一匹配电容Cf的另一端以及所述第二匹配电感Lm2的一端相连，该Cm2的另一端接地，所述第二匹配电感Lm2的另一端与所述初级谐振补偿电容Cp的一端相连；所述WPT模块3与所述次级整流滤波模块4之间连接有次级阻抗匹配模块6，该次级阻抗匹配模块6，用于将所述WPT模块3的输出端口阻抗匹配到其最佳负载点，包括第三匹配电感Lm1以及与Lm1一端相连的第三匹配电容Cm1；所述第三匹配电容Cm1两端与所述次级整流滤波模块4中所述整流桥输入端连接，第三匹配电感Lm1的另一端与所述次级谐振补偿电容Cs的一端相连；所述WPT模块3，其中的初级发射线圈Ls，包括初级U型磁芯和螺旋缠绕在初级U型磁芯底部的导线，次级接收线圈Lp，包括次级U型磁芯和螺旋缠绕在次级U型磁芯底部的导线，且初级U型磁芯和次级U型磁芯的开口相对。上述基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，所述第一匹配电感Lf和第一匹配电容Cf，以及第二匹配电感Lm2和第二匹配电容Cm2，分别满足如下条件：其中，ω＝2πf，f为WPT模块的谐振频率，R为初级阻抗匹配模块输出端的等效端口阻抗，Re2为目标匹配等效阻抗，且R＝Re2，Rep为待匹配的WPT模块输入端的等效端口阻抗。上述基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，所述第三匹配电感Lm1和第三匹配电容Cm1满足如下条件：其中f为WPT模块的谐振频率，Ropt为最佳目标匹配等效阻抗，Re为待匹配的次级整流滤波模块输入端的等效端口阻抗。上述基于SS拓扑磁谐振无线能量传输系统，所述螺旋缠绕在初级U型磁芯底部的导线和螺旋缠绕在次级U型磁芯底部的导线，采用单股铜线或多股利兹线。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术WPT模块中螺旋缠绕有导线的初级U型磁芯和次级U型磁芯的开口相对，优化了线圈之间的磁耦合路径，增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，包括顺次连接的输入电源模块(1)、初级逆变模块(2)、WPT模块(3)和次级整流滤波模块(4)，其中：所述输入电源模块(1)，用于将输入的交流市电转化为可调直流电输出；所述初级逆变模块(2)，用于将输入的直流电压转换为高频交流电压输出，包括第一开关MOS管S1和第二开关MOS管S2，S2的漏极端与S1的源极端相连，源极端接地；所述WPT模块(3)，用于实现电能‑磁能‑电能的无线能量传输，包括相互串联的初级发射线圈Lp和其初级谐振补偿电容Cp，以及相互串联的次级接收线圈Ls和其次级谐振补偿电容Cs，且相互串联的初级发射线圈Lp和其初级谐振补偿电容Cp与相互串联的次级接收线圈Ls和其次级谐振补偿电容Cs相对排布；所述次级整流滤波模块(4)，用于将输入的高频交流电转化为平滑稳定的直流电输出，包括由四个肖特基或快恢复类型的二极管构成的整流桥，以及与整流桥输出一端相连的第一滤波电容CL，所述第一滤波电容CL与整流桥输出的另一端接地；其特征在于：所述输入电源模块(1)，包括市电输入模块(11)和DC_DC降压模块(12)，所述市电输入模块(11)，用于将输入的交流市电转化为平滑稳定的直流电输出，包括一端相互连接，另一端接地的工频整流桥和第二滤波电容C；所述DC_DC降压模块(12)，用于将输入电源模块(11)输出的直流电实现可调降压输出，包括高压功率MOS管Sb、快恢复二极管Db、电感Lb和第三滤波电容Cb；所述高压功率MOS管Sb的漏极端与所述第二滤波电容C未接地的那一端相连；所述快恢复二极管Db负极与Sb的源极端与相连，正极接地；所述电感Lb一端与所述快恢复二极管Db负极相连，另一端与所述第三滤波电容Cb和所述第一开关MOS管S1的漏极端相连，所述第三滤波电容Cb的另一端接地；所述初级逆变模块(2)与所述WPT模块(3)之间连接有初级阻抗匹配模块(5)，该初级阻抗匹配模块(5)，用于提升所述初级逆变模块(2)的输出端端口阻抗，包括第一匹配电感Lf、第一匹配电容Cf、第二匹配电感Lm2和第二匹配电容Cm2；所述第一匹配电感Lf的一端与所述第一开关MOS管S1的源极端和第二开关MOS管S2的漏极端相连，另一端与所述第一匹配电容Cf的一端相连；所述第二匹配电容Cm2的一端与所述第一匹配电容Cf的另一端以及所述第二匹配电感Lm2的一端相连，该Cm2的另一端接地，所述第二匹配电感Lm2的另一端与所述初级谐振补偿电容Cp的一端相连；所述WPT模块(3)与所述次级整流滤波模块(4)之间连接有次级阻抗匹配模块(6)，该次级阻抗匹配模块(6)，用于将所述WPT模块(3)的输出端口阻抗匹配到其最佳负载点，包括第三匹配电感Lm1以及与Lm1一端相连的第三匹配电容Cm1；所述第三匹配电容Cm1两端与所述次级整流滤波模块(4)中所述整流桥的输入端连接，第三匹配电感Lm1的另一端与所述次级谐振补偿电容Cs的一端相连；所述WPT模块(3)，其中的初级发射线圈Ls，包括初级U型磁芯和螺旋缠绕在初级U型磁芯底部的导线，次级接收线圈Lp，包括次级U型磁芯和螺旋缠绕在次级U型磁芯底部的导线，且初级U型磁芯和次级U型磁芯的开口相对。...

【技术特征摘要】
1.一种基于SS拓扑的磁谐振无线能量传输系统，包括顺次连接的输入电源模块(1)、初级逆变模块(2)、WPT模块(3)和次级整流滤波模块(4)，其中：所述输入电源模块(1)，用于将输入的交流市电转化为可调直流电输出；所述初级逆变模块(2)，用于将输入的直流电压转换为高频交流电压输出，包括第一开关MOS管S1和第二开关MOS管S2，S2的漏极端与S1的源极端相连，源极端接地；所述WPT模块(3)，用于实现电能-磁能-电能的无线能量传输，包括相互串联的初级发射线圈Lp和其初级谐振补偿电容Cp，以及相互串联的次级接收线圈Ls和其次级谐振补偿电容Cs，且相互串联的初级发射线圈Lp和其初级谐振补偿电容Cp与相互串联的次级接收线圈Ls和其次级谐振补偿电容Cs相对排布；所述次级整流滤波模块(4)，用于将输入的高频交流电转化为平滑稳定的直流电输出，包括由四个肖特基或快恢复类型的二极管构成的整流桥，以及与整流桥输出一端相连的第一滤波电容CL，所述第一滤波电容CL与整流桥输出的另一端接地；其特征在于：所述输入电源模块(1)，包括市电输入模块(11)和DC_DC降压模块(12)，所述市电输入模块(11)，用于将输入的交流市电转化为平滑稳定的直流电输出，包括一端相互连接，另一端接地的工频整流桥和第二滤波电容C；所述DC_DC降压模块(12)，用于将输入电源模块(11)输出的直流电实现可调降压输出，包括高压功率MOS管Sb、快恢复二极管Db、电感Lb和第三滤波电容Cb；所述高压功率MOS管Sb的漏极端与所述第二滤波电容C未接地的那一端相连；所述快恢复二极管Db负极与Sb的源极端与相连，正极接地；所述电感Lb一端与所述快恢复二极管Db负极相连，另一端与所述第三滤波电容Cb和所述第一开关MOS管S1的漏极端相连，所述第三滤波电容Cb的另一端接地；所述初级逆变模块(2)与所述WPT模块(3)之间连接有初级阻抗匹配模块(5)，该初级阻抗匹配模块(5)，用于提升所述初级逆变模块(2)的输出端端口阻抗，包括第一匹配电感Lf、第一匹...

【专利技术属性】
技术研发人员：史琰，杨杰，沈华，王鹏，李龙，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61