一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法，其中系统包括逆变器和传输线圈，逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，其特征在于，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，第一并联电容与第一开关管并联，第二并联电容与第二开关管并联，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。与现有技术相比，本发明专利技术针对E类逆变器两处固有缺陷，分别进行了功率优化提升和软开关工作负载宽度提升。

A Magnetically Coupled Resonant Wireless Transmission System and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法
本专利技术涉及一种无线输电系统，尤其是涉及一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法。
技术介绍
随着社会的快速发展，电能这种能量形式已经逐步成为各种能量之间转化的媒介，各种手机、手环等智能穿戴设备和家用扫地机器人等电子产品为人们日常起居、出行带来了极大的便利，但传统输电方式却阻碍了这些产品的持续使用性。现阶段，传统的输电方式仍是采用金属有线输电，虽然这种输电方式近些年已得到更为成熟的发展(手机快速充电技术、特高压直流输电技术)，但因其接触式输电的本质没有发生改变，在某些例如煤矿、水下等复杂环境中仍存在较大的安全隐患；输电接触点之间因为线材老化、损耗，极易产生火花引燃周围，对输电安全产生极大威胁。为解决接触式输电的固有缺陷，新型无线输电技术应运而生。无线输电按照传输距离可分为近中场电能传输、远场电能传输。近中场主要采用电磁之间的转换，利用发射线圈将电转换成磁的形式在空间中进行传输；远场则借助微波进行空间传输，利用发射线圈将电转换成微波的形式在空间中进行传输，其中磁耦合谐振式无线输电技术(Magneticcouplingresonance-WirelessPowerTransmission，MCRT-WPT)因兼顾了传输距离和传输效率，成为无线输电领域的研究热门。MCRT-WPT中，为了增大电能传输的功率和效率，系统工作频率一般调制为MHz，较高的调制频率使开关损耗大大增加，E类逆变器因其结构简单、输出频率高，并且可以工作在软开关状况下，近两年成为MCRT-WPT系统热门供电电源之一。但是，现阶段基于E类逆变器的磁耦合谐振式无线输电系统在高传输效率下的输出功率问题和动态负载下效率下降等问题都没有很好的解决。如何解决以上问题成为当前E类逆变器磁耦合谐振式无线输电技术当务之急。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁耦合谐振式无线输电系统及控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种磁耦合谐振式无线输电系统，包括逆变器和传输线圈，所述逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，所述第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，所述第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，所述第一并联电容与第一开关管并联，所述第二并联电容与第二开关管并联，所述第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。所述第一开关管和第二开关管均为MOSFET管，且其源极连接至直流电源。所述谐振网络包括串联设置的谐振电感和谐振电容。所述谐振电感和谐振电容之间还串联有负载端并联电容。所述传输线圈包括发射电路和接收电路，所述发射电路与负载端并联电容并联，所述接收电路与负载连接。所述发射电路包括发射线圈补偿电容和发射线圈。所述发射线圈补偿电容的一端与发射线圈的一端连接，另一端与负载端并联电容的一端连接，所述发射线圈的另一端与负载端并联电容的另一端连接。所述接收电路包括接收线圈和接收线圈补偿电容。所述接收线圈补偿电容的一端与接收线圈的一端连接，另一端与负载的一端连接，所述接收线圈的另一端与负载的另一端连接。一种基于无线输电系统的控制方法，包括以下步骤：按照设定频率交替导通第一开关管和第二开关管，从而输出正弦波。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)在保持系统相同频率和输入电压情况下，因为两个开关管分担了直流母线电压，输出电压提升了2倍，输出功率同比提升了4倍2)关管S1和S2交替导通，输出一个正弦电压，并且每个开关管导通之前，其两端的电压都已经降为零，因此可以保证电路处于软开关工作状态，双路E类逆变电路开关损耗极低。3)采用阻抗变换的方法缩小了实际负载变化时对应的等效载实部可变范围，提高了系统高传输效率下的抗负载扰动性。附图说明图1为双路E类逆变器电路结构示意图；图2为双路E类逆变器电路工作波形示意图；图3等效阻抗变换原理示意图；图4不同并联电容Cp下负载Req与等效串联负载Rs关系曲线示意图；图5新型磁耦合谐振式无线输电电路示意图；图6单管E类逆变电路结构示意图；图7新型磁耦合谐振式无线输电电路仿真结果示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。首先，专利技术人将基于E类逆变器的MCRT-WPT系统分为逆变器和传输线圈两部分，分别进行效率、负载特性分析。着重研究了系统负载与逆变器等效负载的对应关系，探讨了E类逆变器在MCRT-WPT中的适用性和不足。针对逆变电路开关管耐压等级过小会限制了系统整体输出功率的我问题，如图1所示，采用一种双路E类逆变合成的电路结构，能有效提升MCRT-WPT的输出功率，双路E类逆变器电路工作波形如图2所示。针对E类逆变磁耦合谐振式无线输电系统在功率传输过程中，负载变化会导致无线电能传输效率剧烈抖动下降的问题。提出一种阻抗变换的电路结构，有效提升逆变器在软开关工作下的负载范围了。综合考虑以上两种优化设计，提出一种可以实现全负载软开关和提升输出功率的MCRT-WPT系统电路结构。提出一种磁耦合谐振式无线输电系统，如图5所示，包括逆变器和传输线圈，逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，第一并联电容与第一开关管并联，第二并联电容与第二开关管并联，第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。第一开关管和第二开关管均为MOSFET管，且其源极连接至直流电源。谐振网络包括串联设置的谐振电感和谐振电容，谐振电感和谐振电容之间还串联有负载端并联电容。传输线圈包括发射电路和接收电路，发射电路与负载端并联电容并联，接收电路与负载连接。发射电路包括发射线圈补偿电容和发射线圈，发射线圈补偿电容的一端与发射线圈的一端连接，另一端与负载端并联电容的一端连接，发射线圈的另一端与负载端并联电容的另一端连接。接收电路包括接收线圈和接收线圈补偿电容，接收线圈补偿电容的一端与接收线圈的一端连接，另一端与负载的一端连接，接收线圈的另一端与负载的另一端连接。上述无线输电系统的控制方法，包括以下步骤：按照设定频率交替导通第一开关管和第二开关管，从而输出正弦波。本谁请无线输电系统的改进之处具体包括：1、针对E类逆变电路在磁耦合谐振式无线输电系统中因开关管电压应力过大，限制系统输出功率的问题，利用电路合成方法进行功率提升；2、针对E类逆变电路在磁耦合谐振式无线输电系统因负载变化导致，软开关工作失败，系统损耗增大的问题，采用阻抗变换方法拓宽了软开关的工作负载范围；3、分别就逆变器的输出功率和软开关工作负载范围进行了改进。将对改进后的两电路进行整合，并且进行参数设计。获得具有高效率传输情况下宽负载、大功率的MCRT-WPT电路结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁耦合谐振式无线输电系统，包括逆变器和传输线圈，所述逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，其特征在于，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，所述第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，所述第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，所述第一并联电容与第一开关管并联，所述第二并联电容与第二开关管并联，所述第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。

【技术特征摘要】
1.一种磁耦合谐振式无线输电系统，包括逆变器和传输线圈，所述逆变器的输入端连接至直流电源，输出端与传输线圈连接，其特征在于，逆变器包括第一开关管、第二开关管、第一并联电容、第二并联电容、第一扼流电感、第二扼流电感和谐振网络，所述第一开关管的一端与谐振网络的一端连接，并通过第一扼流电感连接至直流电源，所述第二开关管的一端与谐振网络的另一端连接，并通过第二扼流电感连接至直流电源，所述第一并联电容与第一开关管并联，所述第二并联电容与第二开关管并联，所述第一开关管的另一端与第二开关管的另一端连接。2.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为MOSFET管，且其源极连接至直流电源。3.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述谐振网络包括串联设置的谐振电感和谐振电容。4.根据权利要求3所述的一种磁耦合谐振式无线输电系统，其特征在于，所述谐振电感和谐振电容之间还串联有负载端并联电容。5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇华，方艺翔，赵晓轲，李兵，韩志永，黄珂，王志南，王育飞，薛花，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31