一种无线传能装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无线传能装置，主功率电路包括依次连接的输入直流源、原边全桥逆变器、原边高阶补偿网络、磁耦合线圈、副边串联补偿网络、副边全桥整流器和电池负载；控制电路包括输出电压/电流采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器。本发明专利技术不仅可以满足在采用次谐波控制调节输出功率时实现单位功率因数和全负载范围内软开关，降低功率器件的电流应力以及开关损耗，提升传输效率，而且保证当副边开路或原副边线圈远离时原边逆变器输出电流趋于零，为无线传能装置提供固有保护特性，副边串联补偿网络采用单电容补偿，大大降低了副边元件体积和重量，满足接收端的轻量化特点。满足接收端的轻量化特点。满足接收端的轻量化特点。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传能装置


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，涉及一种无线传能装置。

技术介绍

[0002]近年来无线电能传输技术由于其安全、便捷、灵活及在恶劣工况下有着比插拔式充电更可靠的特点，迅速成为当前研究的热点，并且已经广泛应用在消费电子、医疗器械、电动汽车以及轨道交通等领域。
[0003]考虑到无线电能传输系统接收端的位置灵活性，原副边线圈耦合程度会随之变化，进而影响功率传输特性。因此，需要采用有源控制策略保证负载变化或耦合变化工况下稳定功率传输。最为常用的控制策略包括移相控制、变频控制以及次谐波控制等。由于移相控制在轻载无法实现软开关且变频控制无功环流大等问题，均会导致无线电能传输系统效率较低。次谐波控制能够实现无线电能传输系统全负载范围内软开关及单位功率因数工作，目前已成为更优的控制方案。然而，现有的次谐波控制方法仅应用在原边串联补偿拓扑中，如串联
‑
串联（Series
‑
Series, S
‑
S）补偿，串联
‑
LCC（S
‑
LCC）补偿以及串联
‑
CLC（S
‑
CLC）补偿。已有的研究表明，原边串联补偿存在两个缺陷：一是当接收线圈远离发射线圈或者接收端处于开路状态时，原边等效输入阻抗几乎为零，导致原边逆变器流过超大电流，造成开关管损坏以及系统故障。二是原边串联补偿参数设计自由度低，增加了磁耦合线圈的设计难度，这与实际应用需求不符。
[0004]目前广泛应用的原边高阶补偿拓扑，如LCC补偿拓扑和LCL补偿拓扑，虽然能克服原边串联补偿拓扑的缺陷，但均不适用于次谐波控制的无线电能传输系统，导致次谐波控制以及原边高阶补偿拓扑各自的优势无法在同一无线电能传输系统中发挥作用。

技术实现思路

[0005]鉴于上述，本专利技术提供了一种无线传能装置，该无线传能装置能够同时采用原边高阶补偿网络（LCCC）和次谐波控制策略，实现了原边高阶补偿网络与次谐波控制兼容，实现了全负载范围软开关，单位功率因数控制，增加参数设计自由度以及天然的副边开路保护功能。
[0006]本专利技术采用下述技术方案：一种无线传能装置，包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括依次连接的输入直流源、原边全桥逆变器、原边高阶补偿网络、磁耦合线圈、副边串联补偿网络、副边全桥整流器和电池负载；控制电路包括用于采集输出电压V0、输出电流I0的采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器。
[0007]进一步地，原边高阶补偿网络为T型补偿网络，其中，T型补偿网络的左侧支路由电感L
a
与第一高阶补偿电容C
a
组成， T型补偿网络的中间支路由并联电容C
b
组成，T型补偿网络的右侧支路由第二高阶补偿电容C
p
组成。所述副边串联补偿网络采用串联补偿，由一个副边补偿电容C
s
组成。
[0008]进一步地，所述的原边全桥逆变器由四个带反并联二极管的开关管S1~S4构成；所
述的磁耦合线圈包括发射线圈L
p
和接收线圈L
s
；所述的副边全桥整流器包括四个二极管D1~D4。
[0009]进一步地，无线传能装置的交流等效电路：电池负载和副边全桥整流器作为一个等效交流负载电阻R
ac
，原边全桥逆变器等效为一个激励电压源，无线传能装置用以下公式描述：其中，u
ab
为激励电压源，I
a
为原边全桥逆变器输出电流，I
p
为发射线圈电流，I
s
为接收线圈电流，u
cd
为副边串联补偿网络输出电压，j为虚数单位，为开关频率，M为磁耦合线圈之间的互感。
[0010]进一步地，原边高阶补偿网络、副边串联补偿网络的参数由以下公式确定；其中： f0为无线传能装置的谐振频率，为开关频率。
[0011]进一步地，无线传能装置工作在谐振频率下的输入阻抗Z
in
，原边全桥逆变器输出电流I
a
以及无线传能装置的输出电压V
o
的表达式，分别为：其中，U
ab
为原边全桥逆变器输出电压。
[0012]进一步地，次谐波控制器通过调节两种不同频率脉冲的个数进而调节原边全桥逆变器输出电压U
ab
满足下式：其中：两种脉冲的频率分别为f0和f0/3，N1和N3分别为f0和f0/3脉冲个数，为等效电压传输比，。
[0013]进一步地，所述f0频率和f0/3频率的两种脉冲分布方式不影响原边全桥逆变器输
出电压的U
ab
，具体采用调制算法确定两种脉冲序列的分布方式。
[0014]进一步地，无线传能装置的输出电压经采样后发送到原边次谐波控制器中，输出误差经过比例
‑
积分补偿器生成实时等效电压传输比值，进而计算出双频率脉冲个数N1和N3，其中N1和N3均为同奇同偶的整数，然后根据调制算法确定脉冲分布。
[0015]进一步地，原边高阶补偿网络中第二高阶补偿电容C
p
小于理论计算值，保证无线传能装置的输入阻抗呈感性，原边全桥逆变器输出电流滞后于方波电压，实现功率开关管零电压开通。
[0016]进一步地，原边高阶补偿网络中电感L
a
与第一高阶补偿C
a
构成的串联谐振频率尽可能地靠近无线传能装置谐振频率，即电感L
a
的感值可取1.2
‒
1.5倍的发射线圈L
p
的自感值，降低原边高阶补偿网络带宽，以保证只有无线传能装置谐振频率点附近的电流分量注入磁耦合线圈。
[0017]基于上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：1．本专利技术公开了一种新型原边高阶补偿拓扑，增加了无线传能装置参数设计自由度，可设计适应不同的输出指标。通过原边高阶补偿网络的参数设计，原边全桥逆变器可采用次谐波控制，在全负载范围内实现零电压开通，且无线传能装置的原边线圈电流呈现恒流特性，输出呈现恒压特性。
[0018]2．本专利技术实现了原边全桥逆变器输出电压和输出电流同相位，输入阻抗呈纯阻性，降低了原边全桥逆变器中功率开关管的电压应力和电流应力。
[0019]3．本专利技术公开的无线传能装置，当接收线圈远离发射线圈或者接收端处于开路状态时，原边全桥逆变器等效输入阻抗趋于无穷，原边全桥逆变器流过电流几乎为零，避免了开关管损坏以及装置故障，具有天然的开路保护特性。
[0020]4．本专利技术公开的无线传能装置，接收端可根据实际需求采用不同补偿方式，包括串联补偿拓扑，LCC补偿拓扑以及CLC补偿拓扑等等，进而得到恒流输出特性或者恒压输出特性，移植性和可操作性强。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的无线传能装置整体电路架构示意图。
[0022]图2为本专利技术的无线传能装置的交流等效电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传能装置，其特征在于，包括主功率电路和控制电路，主功率电路包括依次连接的输入直流源、原边全桥逆变器、原边高阶补偿网络、磁耦合线圈、副边串联补偿网络、副边全桥整流器和电池负载；控制电路包括用于采集输出电压、输出电流的采样电路、次谐波控制器以及栅极驱动器；原边高阶补偿网络为T型补偿网络，T型补偿网络的左侧支路由电感L
a
与第一高阶补偿电容C
a
组成， T型补偿网络的中间支路由并联电容C
b
组成，T型补偿网络的右侧支路由第二高阶补偿电容C
p
组成。2.根据权利要求1所述的无线传能装置，其特征在于；所述副边串联补偿网络采用串联补偿，由一个副边补偿电容C
s
组成。3.根据权利要求1所述的无线传能装置，其特征在于，所述的原边全桥逆变器由四个带反并联二极管的开关管S1~S4构成；所述的磁耦合线圈包括发射线圈L
p
和接收线圈L
s
；所述的副边全桥整流器包括四个二极管D1~D4。4.根据权利要求2所述的无线传能装置，其特征在于：电池负载和副边全桥整流器作为一个等效交流负载电阻R
ac
，原边全桥逆变器等效为一个激励电压源，无线传能装置用以下公式描述：其中，u
ab
为激励电压源，I
a
为原边全桥逆变器输出电流，I
p
为发射线圈电流，I
s
为接收线圈电流，u
cd
为副边串联补偿网络输出电压，j为虚数单位，为开关频率，M为磁耦合线圈之间的互感。5.根据权利要求4所述的无线传能装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊俊杰，曾伟，饶臻，吴康，黄辉，李春龙，李勇，周翔，
申请(专利权)人：国家电网有限公司南昌科晨电力试验研究有限公司国网智能电网研究院有限公司西南交通大学，
类型：发明
国别省市：