一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统及其控制方法，该系统包括发射端和接收端；发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端控制电路和发射端谐振网络；接收端包括接收端谐振网络、可控整流电路和接收端阻抗匹配控制电路；本发明专利技术在不改变电路拓扑的情况下，能够降低系统输出功率对耦合系数敏感度，从而更加方便有效地提高系统在实际应用中的抗偏移能力；同时，本发明专利技术增加了有源阻抗匹配技术，通过计算系统最优的交流负载值，结合对输出电压电流的采样，调节系统接收端的阻抗，以此提高充电过程中的整体效率。以此提高充电过程中的整体效率。以此提高充电过程中的整体效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，更具体地，涉及一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，各类电子电气设备得到了快速普及与发展，而用户对电能传输的安全性与可靠性提出了新的要求。传统插电式电能传输技术在充电时，存在火花及高压触电等安全隐患，使得系统安全性、可靠性以及使用寿命降低，并尚且难以达到一些特殊工业场合的安全要求。无线电能传输系统因其具有安全性、电气隔离、低维护和便携性以及具备在特殊环境与天气下工作的能力等诸多优势，开始逐步应用于电动汽车、植入式医疗设备、水下通信设备以及消费电子等领域。但无线电能传输系统的发射线圈与接收线圈往往会发生不同程度的偏移，这使得系统不能稳定地传输能量，从而造成剧烈的输出功率波动。
[0003]当前控制WPT系统抗偏移的技术包括：第一个是采用混合拓扑结构，这种技术通常将具有不同特性的拓扑进行组合，构建混合拓扑结构，使得当耦合机构发生偏移时，耦合系数的变化对输出电压电流的影响可在一定范围内相互抵消，从而实现抗偏移的效果；第二个是对磁耦合器的优化设计，通过线圈绕法或磁芯优化设计等方式，使得耦合线圈在发生物理相对偏移的情况下，磁耦合线圈之间的互感变化平缓，从而使得磁耦合器的磁场维持相对稳定；第三个是构建闭合环路，为了实现较大偏移范围内的稳定输出，通常对输出参量进行闭环控制，闭环又可分为发射端闭环、接收端闭环和双边通信闭环，通过实时采样输出参量使用PID算法调控输入量，使得系统输出参量保持恒定，以达到抗偏移的效果。
[0004]传统的抗偏移无线电能传输系统，在多数时候都通过较为复杂的线圈结构和复杂化的拓扑结构来实现抗偏移特性，这种方式使得电路设计复杂化，增加了系统本身的固有损耗，而且较为繁琐的线圈结构大大增加的铜损，降低了系统的传输效率。
[0005]目前的现有技术公开了一种交错抗偏移恒压谐振式无线电能传输系统，现有技术使用双发射线圈使得磁场的区域更大，在一定偏移范围内，能实现输出电压的稳定，因此具有抗偏移能力；与传统的单发射线圈相比，双发射线圈配合双谐振网络，能进一步提升输入功率，从而增强磁场，从而传输距离更远，输出电压更高；现有技术中的系统通过采用复杂的线圈结构实现抗偏移效果，仅适用于一些特殊场合，不具有普适性；另外，现有技术中的系统只注重输出抗偏移效果，而忽略系统效率，在偏移情况下，随耦合系数变化，系统效率不理想；在实际的充电过程中，负载等效阻值不是一成不变的，因此，现有技术中的系统随着负载的变化，系统输出也会收到影响。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服上述现有技术中的系统无法兼顾抗偏移性能和传输效率的缺陷，提供一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统及其控制方法，能够实现较好的抗偏移效果，同时能够通过有源阻抗匹配提高系统的传输效率。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，包括：发射端和接收端；
[0009]所述发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端控制电路和发射端谐振网络；
[0010]所述直流电源与高频全桥逆变电路的一端并联连接，所述高频全桥逆变电路的另一端与发射端谐振网络连接；
[0011]发射端控制电路用于控制高频全桥逆变电路将直流电源输入的直流电逆变为特定频率的交流电；
[0012]所述接收端包括接收端谐振网络、可控整流电路和接收端阻抗匹配控制电路；
[0013]所述接收端谐振网络中的接收线圈与发射端谐振网络中的发射线圈互感耦合，接收端谐振网络与可控整流电路的一端连接，可控整流电路的另一端与外接负载连接；
[0014]所述接收端阻抗匹配控制电路用于实时采集接收端谐振网络和可控整流电路的输出，并计算调整参数，根据所述调整参数对可控整流电路进行调整。
[0015]优选地，所述高频全桥逆变电路包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4和第一滤波电容C
in
；
[0016]所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4均为同型号的N沟道增强型MOS管；
[0017]所述第一滤波电容C
in
的正负极并联在直流电源的正极和负极之间；
[0018]所述第一功率开关管Q1的漏极与直流电源的正极连接，第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极连接，第二功率开关管Q2的源极与直流电源的负极连接；
[0019]所述第三功率开关管Q3的漏极与直流电源的正极连接，第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的漏极连接，第四功率开关管Q4的源极与直流电源的负极连接；
[0020]所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4的栅极均与发射端控制电路连接；
[0021]所述第一功率开关管Q1和第三功率开关管Q3的源极作为高频全桥逆变电路的另一端与发射端谐振网络连接。
[0022]优选地，所述发射端控制电路包括依次连接的第一DSP控制电路和PWM驱动电路；
[0023]PWM驱动电路的输出端与高频全桥逆变电路连接，用于产生PWM方波信号控制高频全桥逆变电路将直流电源输入的直流电逆变为特定频率的交流电。
[0024]优选地，所述发射端谐振网络包括谐振补偿电感L1、第一谐振补偿电容C1、发射线圈L
p
和第二谐振补偿电容C
p
；
[0025]所述谐振补偿电感L1的一端与第一功率开关管Q1的源极连接，另一端与第一谐振补偿电容C1的一端连接，第一谐振补偿电容C1的另一端与第三功率开关管Q3的源极连接；
[0026]发射线圈L
p
的第一端与第一谐振补偿电容C1的一端连接，发射线圈L
p
的第二端与第二谐振补偿电容C
p
的一端连接，第二谐振补偿电容C
p
的另一端与第一谐振补偿电容C1的另一端连接。
[0027]优选地，所述接收端谐振网络包括接收线圈L
s
和第三谐振补偿电容C
s
；
[0028]所述接收线圈L
s
的第一端与第三谐振补偿电容C
s
的一端连接，接收线圈L
s
的第二端与可控整流电路连接，第三谐振补偿电容C
s
的另一端与可控整流电路连接；
[0029]所述接收端阻抗匹配控制电路对接收线圈L
s
第二端的输出进行实时采集。
[0030]优选地，所述发射线圈L
p
和接收线圈L
s
构成平面螺旋式结构的耦合线圈，发射线圈L
p
和接收线圈L
s
均为参数相同的空心线圈；
[0031]发射线圈L...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，其特征在于，包括：发射端和接收端；所述发射端包括直流电源、高频全桥逆变电路、发射端控制电路和发射端谐振网络；所述直流电源与高频全桥逆变电路的一端并联连接，所述高频全桥逆变电路的另一端与发射端谐振网络连接；发射端控制电路用于控制高频全桥逆变电路将直流电源输入的直流电逆变为特定频率的交流电；所述接收端包括接收端谐振网络、可控整流电路和接收端阻抗匹配控制电路；所述接收端谐振网络中的接收线圈与发射端谐振网络中的发射线圈互感耦合，接收端谐振网络与可控整流电路的一端连接，可控整流电路的另一端与外接负载连接；所述接收端阻抗匹配控制电路用于实时采集接收端谐振网络和可控整流电路的输出，并计算调整参数，根据所述调整参数对可控整流电路进行调整。2.根据权利要求1所述的一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述高频全桥逆变电路包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4和第一滤波电容C
in
；所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4均为同型号的N沟道增强型MOS管；所述第一滤波电容C
in
的正负极并联在直流电源的正极和负极之间；所述第一功率开关管Q1的漏极与直流电源的正极连接，第一功率开关管Q1的源极与第二功率开关管Q2的漏极连接，第二功率开关管Q2的源极与直流电源的负极连接；所述第三功率开关管Q3的漏极与直流电源的正极连接，第三功率开关管Q3的源极与第四功率开关管Q4的漏极连接，第四功率开关管Q4的源极与直流电源的负极连接；所述第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4的栅极均与发射端控制电路连接；所述第一功率开关管Q1和第三功率开关管Q3的源极作为高频全桥逆变电路的另一端与发射端谐振网络连接。3.根据权利要求2所述的一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端控制电路包括依次连接的第一DSP控制电路和PWM驱动电路；PWM驱动电路的输出端与高频全桥逆变电路连接，用于产生PWM方波信号控制高频全桥逆变电路将直流电源输入的直流电逆变为特定频率的交流电。4.根据权利要求1或3所述的一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端谐振网络包括谐振补偿电感L1、第一谐振补偿电容C1、发射线圈L
p
和第二谐振补偿电容C
p
；所述谐振补偿电感L1的一端与第一功率开关管Q1的源极连接，另一端与第一谐振补偿电容C1的一端连接，第一谐振补偿电容C1的另一端与第三功率开关管Q3的源极连接；发射线圈L
p
的第一端与第一谐振补偿电容C1的一端连接，发射线圈L
p
的第二端与第二谐振补偿电容C
p
的一端连接，第二谐振补偿电容C
p
的另一端与第一谐振补偿电容C1的另一端连接。5.根据权利要求4所述的一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述接收端谐振网络包括接收线圈L
s
和第三谐振补偿电容C
s
；
所述接收线圈L
s
的第一端与第三谐振补偿电容C
s
的一端连接，接收线圈L
s
的第二端与可控整流电路连接，第三谐振补偿电容C
s
的另一端与可控整流电路连接；所述接收端阻抗匹配控制电路对接收线圈L
s
第二端的输出进行实时采集。6.根据权利要求5所述的一种高效抗偏移磁谐振式无线电能传输系统，其特征在于，所述发射线圈L
p
和接收线圈L
s
构成平面螺旋式结构的耦合线圈，发射线圈L
p
和接收线圈L
s
均为参数相同的空心线圈；发射线圈L
p
和接收线圈L
s
互感耦合，发射线圈L
p
的第一端和接收线圈L
s
的第一端互为同名端；发射线圈L
p
和接收线圈L
s
的互感系数M为：其中，d为发射线圈与接收线圈的垂直距离，D
avg
为耦合线圈外半径与内半径之和，μ0为真空磁导率，N为耦合线圈的绕线匝数；发射线圈L
p
和接收线圈L
s
的耦合系数k为：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志忠，黄钦鸿，陈卓楠，林菲燕，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：