一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统技术方案

本发明专利技术公开了一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，属于无线电能传输技术领域，解决了现有无线电能传输系统在耦合系数大范围变化下传输功率波动的问题。本发明专利技术由原边发射模块、原边钳位模块和副边拾取模块组成；原边发射模块包括直流电源、高频逆变电路、初级补偿电感、初级补偿电容、初级钳位绕组以及初级发射线圈；原边钳位模块包括钳位整流器、钳位补偿电容以及钳位线圈；副边能量拾取模块包括次级拾取线圈、次级补偿电容、次级整流器、滤波电路以及电阻负载组成。当系统面临偏移所导致的耦合系数大范围变化时，本发明专利技术能够在没有外加检测、通讯等硬件模块下实现系统工作模态的自适应调节，以维持输出功率平稳。以维持输出功率平稳。以维持输出功率平稳。

【技术实现步骤摘要】
一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，涉及一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统。

技术介绍

[0002]感应式无线电能传输技术(InductivePowerTransfer)，简称IPT技术，是一种以磁能为媒介实现能量非物理接触式传输的供电技术，具有供电灵活、安全可靠等优点，已广泛应用于便携式电子产品、电动车等无线供电等领域。
[0003]现有无线电能传输系统的主要构成及工作过程为：将接入的工频交流电通过PFC整流、滤波后转化变为直流电，再通过高频逆变将其变为高频交流电，随后流经初级发射线圈产生高频交变磁场，拾取线圈通过感应高频交变磁场生成感应电压，在利用高频整流及滤波电路将感应到的能量转变为直流电向负载供能。
[0004]对于IPT系统，初级发射线圈和拾取线圈的相对位移将导致耦合系数k存在较大改变，进而造成系统传输功率的降低。为了解决该问题，通常有以下几种方法：一、闭环控制方法，如在逆变或者整流环节中加入控制器，通过控制逆变器导通角进行移相控制从而实现传输功率的稳定；或者在高频逆变输入端/高频整流输出端加入直
‑
直变换器，从而调整系统输出功率；或者在原边或者副边补偿网络环节加入可变电感器或者可变电容器，以改变系统能量传输特性，进而控制输出功率平稳，等。但控制系统对接收端反馈信号的检测精度及实时性都有较高要求，且这种方法增加了系统复杂程度及所对应的控制成本费用。二、混合拓扑设计方法，通过组合两种输出特性相反的电路拓扑，利用不同拓扑电路之间互相弥补的方式实现偏移过程中输出功率的平稳，但这种方法结构复杂、具有较高的系统成本。三、失谐补偿网络参数设计方法，通过合理设计原边和副边补偿网络中的电路参数，从而创造一个功率随耦合变化先上升再下降的非单调功率平滑区间，实现功率稳定传输。但该方法偏移范围有限(通常仅允许2倍的耦合变化)。四、多模态操作的系统参数设计方法，为了提升系统的偏移范围，利用交流开关或可变元器件改变系统拓扑结构或者电路参数，使系统存在多种操作模态。随着耦合系数的变化，可改变系统工作模态从而令输出功率维持在目标区间。但该方法需要额外的检测、通讯、反馈等硬件电路来生成用去切换模态的控制触发信号，增加了系统控制复杂性，且由于通讯延迟等实际问题的影响，系统可靠性也随之降低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：提供了一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，解决了现有无线电能传输系统在初级发射线圈和次级拾取线圈相对位置时，现有技术存在结构复杂、成本高、偏移范围小的问题。利用钳位整流器自适应将初级发射线圈和次级拾取线圈相对位置时过多能量吸收，以实现耦合系数大范围变化时输出功率的稳定。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，包括原边发射模块、原边钳位模块和副边拾取模块。
[0008]所述原边能量发射模块包括直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电感(L1)、初级补偿电容(C1)，钳位变压器的初级钳位绕组(L
CP
)以及耦合机构的初级发射线圈(L
P
)；具体连接关系为：直流电源(E)的正负端分别与高频逆变器(H)的直流输入端连接，高频逆变器(H)的交流输出侧与初级原边补偿电感(L1)、初级补偿电容(C1)串联形成闭合回路，初级补偿电容(C1)两端分别再与初级发射线圈(L
P
)、初级钳位绕组(L
CP
)串联形成闭合回路。
[0009]所述原边钳位模块包括钳位整流器(CD)、钳位补偿电容(C
C
)以及钳位变压器的次级钳位绕组(L
CS
)；具体连接关系为：钳位整流器(CD)的直流输出端分别与原边能量发射模块中直流电源(E)连接，钳位整流器(CD)的交流输入端分别与钳位补偿电容(C
C
)和钳位变压器的次级钳位绕组(L
CS
)串联形成闭合回路。
[0010]所述副边能量拾取模块包括耦合机构的次级拾取线圈(L
S
)、次级补偿电容(C
S
)、次级整流器(D)、滤波电容(C
F
)以及电阻负载(R)；具体连接关系为：次级拾取线圈(L
S
)、次级补偿电容(C
S
)、次级整流器(D)交流输入端串联形成闭合回路，次级整流器(D)直流输出端分别与滤波电容(C
F
)输入端连接，滤波电容(C
F
)输出端分别与电阻负载(R)连接。
[0011]所述的一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，系统存在钳位模块未激活模态、钳位模块不完全激活模态与钳位模块完全激活模态。所述钳位模块未激活模态为系统中原边钳位模块无电流，能量由原边能量发射模块传递至副边能量拾取模块；所属钳位模块不完全激活模态为系统中原边钳位模块的电流不连续且可忽略，能量由原边能量发射模块传递至副边能量拾取模块和原边钳位模块；钳位模块完全激活模态为系统中原边钳位模块的电流连续，能量由原边能量发射模块传递至副边能量拾取模块和原边钳位模块。
[0012]所述的一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，定义系统工作频率为ω，系统负载电阻为R，系统输入电压为E，系统允许耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)间最大耦合系数为k
max
，系统允许耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)间最小耦合系数为k
min
，钳位模块未激活模态与钳位模块不完全激活模态间所对应耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)的临界耦合系数为k
cross1
，钳位模块不完全激活模态与钳位模块完全激活模态间所对应耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)的临界耦合系数为k
cross2
，系统允许的最大输出功率为P
max
，系统允许的最小输出功率为P
min
，系统允许的波动为β，耦合机构初级发射线圈(L
P
)的电感值为耦合机构次级拾取线圈(L
S
)的电感值为钳位变压器的初级钳位绕组(L
CP
)的电感值为钳位变压器的次级钳位绕组(L
CS
)的电感值为负载电阻(R)的阻值为钳位模块不完全激活模态与钳位模块完全激活模态间所对应钳位整流器(CD)的输入侧等效交流负载为R
eqcc
，输入电压(E)的电压值为所述的次级补偿电容(C
S
)的电容值由式(12)确定：
[0013][0014]所述的初级补偿电容(C1)的电容值由式(13)确定：
[0015][0016]所述的初级补偿电感(L1)的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，其特征在于：包括原边能量发射模块、原边钳位模块和副边能量拾取模块；所述原边能量发射模块包括直流电源(E)、高频逆变器(H)、初级补偿电感(L1)、初级补偿电容(C1)，钳位变压器的初级钳位绕组(L
CP
)和耦合机构的初级发射线圈(L
P
)；所述原边钳位模块包括钳位整流器(CD)、钳位补偿电容(C
C
)和钳位变压器的次级钳位绕组(L
CS
)；所述副边能量拾取模块包括耦合机构的次级拾取线圈(L
S
)、次级补偿电容(C
S
)、次级整流器(D)、滤波电容(C
F
)和电阻负载(R)。2.根据权利要求1所述的一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，其特征在于，所述直流电源(E)的正负端分别与高频逆变器(H)的直流输入端连接，高频逆变器(H)的交流输出侧与初级原边补偿电感(L1)、初级补偿电容(C1)串联形成闭合回路，初级补偿电容(C1)两端分别与初级发射线圈(L
P
)、初级钳位绕组(L
CP
)串联形成闭合回路；钳位整流器(CD)的直流输出端与原边能量发射模块中的直流电源(E)连接，钳位整流器(CD)的交流输入端分别与钳位补偿电容(C
C
)和钳位变压器的次级钳位绕组(L
CS
)串联形成闭合回路；次级拾取线圈(L
S
)、次级补偿电容(C
S
)、次级整流器(D)交流输入端依次串联形成闭合回路，次级整流器(D)直流输出端与滤波电容(C
F
)输入端连接，滤波电容(C
F
)输出端与电阻负载(R)连接。3.根据权利要求1所述的一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，其特征在于，系统包括钳位模块未激活模态、钳位模块不完全激活模态与钳位模块完全激活模态；所述钳位模块未激活模态下，系统中的原边钳位模块无电流，能量由原边能量发射模块传递至副边能量拾取模块；所述钳位模块不完全激活模态下，系统中原边钳位模块的电流不连续且可忽略，能量由原边能量发射模块传递至副边能量拾取模块和原边钳位模块；钳位模块完全激活模态下，系统中原边钳位模块的电流连续，能量由原边能量发射模块传递至副边能量拾取模块和原边钳位模块。4.根据权利要求3所述的一种强抗偏移的钳位式无线电能传输系统，其特征在于，系统中各参数的设置方法如下：系统工作频率为ω，系统负载电阻为R，系统输入电压为E，系统允许耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)间最大耦合系数为k
max
，系统允许耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)间最小耦合系数为k
min
，钳位模块未激活模态与钳位模块不完全激活模态间所对应耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)的临界耦合系数为k
cross1
，钳位模块不完全激活模态与钳位模块完全激活模态间所对应耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)的临界耦合系数为k
cross2
，系统允许的最大输出功率为P
max
，系统允许的最小输出功率为P
min
，系统允许的波动为β，耦合机构初级发射线圈(L
P
)的电感值为耦合机构次级拾取线圈(L
S
)的电感值为钳位变压器的初级钳位绕组(L
CP
)的电感值为钳位变压器的次级钳位绕组(L
CS
)的电感值为负载电阻(R)的阻值为钳位模块不完全激活模态与钳位模块完全激活模态间所对应钳位整流器(CD)的输入侧等效交流负载为R
eqcc
，输入电压(E)的电压值为次级补偿电容(C
S
)的电容值由式(1)确定：
初级补偿电容(C1)的电容值由式(2)确定：初级补偿电感(L1)的电感值由式(3)确定：钳位变压器的初级钳位绕组(L
CP
)和次级钳位绕组(L
CS
)之间互感(M
C
)的互感值由式(4)确定：钳位补偿电容(C
C
)的电容值由式(5)确定：系统允许耦合机构的初级发射线圈(L
P
)与次级拾取线圈(L
S
)间...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈阳，杨斌，张泽恒，麦瑞坤，何正友，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：