CN105186705A - 一种高效率的电能发射端、非接触电能传输装置和电能传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效率的电能发射端、非接触电能传输装置和电能传输方法，利用一电感或者由电感和电容构成的软开关控制电路来调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，使得输出等效阻抗保持为感性阻抗，而根据感性阻抗电流滞后于电压的特性，可以让直流-交流电压变换器中的开关器件在导通前电压下降为零，实现零电压导通。

Description

一种高效率的电能发射端、非接触电能传输装置和电能传输方法

技术领域

本发明涉及电能传输领域，更具体的说，涉及一种高效率的电能发射端、非接触电能传输装置和电能传输方法。

背景技术

非接触电能传输技术由于其方便实用的特点而广泛应用于电子产品领域，目前，实现非接触电能传输的方式主要有磁感应式和磁共振式两种方式，磁感应式由于受传输距离的限制其应用场合非常有限，磁共振式无线电能传输能够实现远距离、大功率的电能传输，可以广泛应用于电子终端、电动汽车、水下、地下等用电设备的充电和供电。

通常的无线电能传输装置主要包括电能发射端和电能接收端，两者通过电磁感应或磁共振原理实现能量的传输。其中，电能发射端包括有逆变器和发射线圈，逆变器接收直流电压产生交流电压，发射线圈接收交流电压产生频率为ω₀的交变磁场，电能接收端中的接收线圈耦合所述交变磁场，感生出频率为ω₀的交变电压V_sin(ω0)。一般来说，交变磁场的频率越低，电能传输的距离越短，因此，为了增加无线电能传输的距离，需要提高交变磁场的频率。而根据无线充电的相关标准的介绍，例如Qi和PMA无线充电标准，在电磁感应无线电能传输***中，交变磁场的频率在100kHz-500kHz之间，电能传输距离通常在一个厘米以下；根据A4WP无线充电标准，在磁共振无线电能传输***中，若交变磁场的频率为6.78MHz，则相应的电能传输距离可以达到几个厘米。

因此，为了提高传输距离，一般采用磁共振无线电能传输方式，并产生6.78MHz频率的交变磁场，相应的，逆变器中的开关器件需要工作在6.78MHz的频率。而当开关器件工作在6.78MHz时，开关器件上将产生非常大的开关损耗，极大地降低了开关寿命，为了降低损耗，通常需要采用软开关技术(ZVS)，以使得开关器件降低损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高效率的电能发射端、非接触电能传输装置和电能传输方法，通过调节控制直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，以使得所述输出等效阻抗为感性阻抗，从而使得所述逆变器中的开关器件在零电压压降时导通，实现软开关导通，在高频率时能够大大减小开关损耗。

依据本发明的一种高效率的电能发射端，向与其隔离的电能接收端传输能量，所述电能发射端包括：

直流-交流电压变换器，接收直流电压以输出具有预设频率的交流电压；

电能发射部分，包括原边发射线圈，所述原边发射线圈接收所述交流电压产生交变磁场，以向所述电能接收端传输能量；

软开关控制电路，连接在所述直流-交流电压变换器和电能发射部分之间，用以调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，以使得所述输出等效阻抗呈感性阻抗；

其中,所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的***工作频率一致。

进一步的，所述电能发射部分还包括原边谐振电容，所述原边谐振电容和所述原边发射线圈的谐振频率为所述预设频率。

优选的，所述软开关控制电路包括一第一电感，所述第一电感的两端分别连接所述直流-交流电压变换器和所述电能发射部分。

优选的，所述电感的感抗值根据所述直流-交流电压变换器的工作电流调节。

优选的，所述软开关控制电路包括第一电感和第一电容，

所述第一电感的第一端连接所述直流-交流电压变换器的第一输出端，第二端接至所述电能发射部分；

所述第一电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，第二端连接所述直流-交流电压变换器的第二输出端。

优选的，所述第一电感和第一电容的谐振频率设置为与所述预设频率一致。

依据本发明的一种非接触电能传输方法，通过相互隔离的电能发射端和电能接收端传输能量，包括以下步骤：

利用直流-交流电压变换器接收直流电压以输出具有预设频率的交流电压，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的***工作频率一致；

调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，以使得所述输出等效阻抗呈感性阻抗；

接收所述交流电压以产生交变磁场，以向所述电能接收端传输能量；

感应所述交变磁场以获得相应的交变电压，将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

优选的，利用第一电感构成的软开关控制电路对所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗进行调节控制。

优选的，所述电感的感抗值根据所述直流-交流电压变换器的工作电流调节。

优选的，利用第一电感和第一电容组成的软开关控制电路对所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗进行调节控制。

优选的，所述第一电感和第一电容的谐振频率设置为与所述预设频率一致。

依据本发明的一种非接触电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，所述电能发射端为上述的电能发射端；

所述电能接收端包括副边接收线圈和整流滤波电路，所述副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，所述整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

根据上述的高效率的电能发射端、非接触电能传输装置和电能传输方法，利用一电感或者由电感和电容构成的软开关控制电路来调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，使得输出等效阻抗保持为感性阻抗，而根据感性阻抗的电流滞后于电压的特性，可以让直流-交流电压变换器中的开关器件在导通前压降下降为零，实现零电压导通。本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.在高频率条件下降低开关损耗，实现高效率的无线电能传输；

2.软开关控制电路采用无源器件，易控制，成本低；

3.利用电感和电容构成的软开关控制电路不但可以很好的实现软开关导通，还可以设置合适的谐振频率，以同时作为电能发射端的阻抗匹配网络，实现对原边电流的调节，提高***的电能传输效率。

附图说明

图1所示为依据本发明的电能发射端的第一实施例的电路框图；

图2所示为依据本发明的电能发射端的第二实施例的电路框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

参考图1所示为依据本发明的电能发射端的第一实施例的电路框图，所述电能发射端应用于非接触电能传输***中，电能发射端用以向与其隔离的电能接收端传输能量，如图1所示，电能接收端的等效阻抗记为Z_d。本实施方式中，所述电能发射端包括有直流-交流电压变换器11(即DC-AC逆变器)，软开关控制电路12和电能发射部分(电能发射部分即图1中磁共振网络13)，其中，磁共振网络13包括原边发射线圈Ls和原边谐振电容Cs，这里，当对电路参数要求不高或线路寄生电容较大的情况下,原边谐振电容Cs可以不需要，但本领域技术人员可知，当电路没有设置谐振电容的情况下，需要在电能发射端设置隔直电容对DC-AC逆变器输出的直流偏置进行隔离。

具体的，所述DC-AC逆变器11可以为现有技术中的或改进的多种实现方式，例如可以为全桥逆变器、半桥逆变器、ClassD逆变器或ClassE逆变器等各种逆变电路，图1中以ClassD逆变器为例，所示DC-AC逆变器包括串联的上开关管Q1和下开关管Q2，这里，所述上开关管Q1和下开关管Q2为MOS场效应晶体管，且两者分别具有体二极管D1和D2。本领域技术人员可知，上开关管Q1和下开关管Q2不限于上述晶体管，还可以为具有同样功能的独立开关管和二极管组合形成。所述DC-AC逆变器11接收直流电压V_dc以输出具有预设频率的交流电压V_ac，所述预设频率与所述非接触电能传输装置的***工作频率一致，记为ω₀，所述无线电能传输装置的***工作频率是根据电路结构和效率要求预先设定的。

在本实施例中，为提高***的传输效率，所述原边发射线圈Ls和原边谐振电容Cs的谐振频率设置为与***的工作频率ω₀一致。所述原边发射线圈Ls接收所述频率为ω₀的交流电压以产生交变磁场，以向所述电能接收端传输能量，所述电能接收端中的副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，之后，整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

进一步的，本实施例中所述软开关控制电路12具体包括第一电感L1，所述第一电感的第一端连接至上开关管Q1和下开关管Q2的公共连接点，第二端与所述原边发射线圈Ls连接。这里，设所述第一电感的阻抗值为jω₀L＝jV。

根据图1所示的电路结构阐述本发明的软开关控制原理：由于原边发射线圈Ls和原边谐振电容Cs的谐振频率为ω₀，因此，在非接触电能传输***工作过程中，当***频率为ω₀时，磁共振网络的等效阻抗为零，这时，所述DC-AC逆变器的输出等效阻抗Z为：

Z＝jX+Zd(1)

从式(1)中可以看出，无论输出负载是否发生变化或者是当电能接收端与电能发射端的耦合发生变化时，DC-AC逆变器的输出等效阻抗均呈感性阻抗，而根据感性阻抗的电流滞后于电压的特性，DC-AC逆变器中的开关管可以实现零电压导通。具体为，当上开关管Q1导通，下开关管Q2关断时，电感L1的两端电流相位会滞后于电压相位90°，之后，上开关管Q1关断，进入死区时间区间，这时，因为第一电感L1电流不为零，电流通过第一电感L1、原边发射线圈Ls、谐振电容Cs和下开关管的体二极管D2续流，下开关管Q2的压降会下降至零，开通下开关管Q2，即实现了零电压导通。根据同样的原理，对于上开关管Q1，也可以通过第一电感L1实现零电压导通。

需要补充的是，根据DC-AC逆变器中的电流I_ac公式：

$I_{ac}=\frac{V_{ac}}{\left|Z\right|}=\frac{V_{ac}}{\left|jX+Zd\right|}=\frac{V_{ac}}{\sqrt{X^2+{\mathrm{Zd}}^2}}---\left(2\right)$

从公式(2)中可以看出，当输出负载加重或者电能发射端和接收端的耦合变弱时，副边等效阻抗Z_d会增大，这样，逆变器的工作电流Iac相应的降低，帮助逆变器中的开关器件实现零电压导通的能量也相应地减少。因此，为了保证全工作周期内均能实现ZVS，需要合理选择电感L1的感抗值或者调节开关管之间的死区时间，例如，当逆变器的工作电流Iac降低，可以适当减小第一电感L1的感抗值或是增加开关管之间的死区时间，以保证在下开关管导通前压降降至为零。

通过上述的技术方案可知，本发明的软开关控制电路调节DC-AC逆变器的输出等效阻抗，使其在工作过程的等效阻抗呈感性，根据感性阻抗的特性，逆变器中开关管在工作过程中，可以在零电压处导通，实现软开关导通。本发明采用易控制的无源器件实现软开关导通，无需复杂的控制电路，能够在高频率情况下大大减小开关损耗，有效提高了***工作效率。

参考图2所示为依据本发明的电能发射端的第二实施例的电路框图；本实施例中的磁共振网络13与上一实施例相同，在此不再重复阐述，在本实施方式中，所述DC-AC逆变器11以全桥开关逆变器为例，如图2所示，DC-AC逆变器11包括第一上开关管Q1、第二上开关管Q3、第一下开关管Q2和第二下开关管Q4，本实施例中逆变器中的开关管均以具有体二极管的晶体管为例但不限于此，如图2所示，四个开关管的体二极管分别为D1、D2、D3和D4。

进一步的，本实施例中的软开关控制电路12包括第一电感L1和第一电容C1，所述第一电感L1的第一端连接所述全桥开关逆变器的第一输出端，如图2中A点，第二端接至所述原边发射线圈的第一端；所述第一电容C1的第一端与所述第一电感的第二端连接，第二端连接所述全桥开关逆变器的第二输出端，如图2中B点。

优选的，本实施例中，所述第一电感L1和第一电容C1的谐振频率设置为与所述预设频率ω₀一致，即有其中，L为第一电感的感抗值，C为第一电容的容抗值，定义第一电感L1的阻抗为:jω₀L＝jX第一电容C1的阻抗为:-jX。当原边发射线圈Ls和原边谐振电容Cs的谐振频率为ω₀，磁共振网络的等效阻抗为零，则所述DC-AC逆变器的输出等效阻抗Z为：

$Z=jX+\frac{(-jX)\·Zd}{-jX+Zd}=\frac{{\mathrm{jX}}^3}{X^2+{\mathrm{Zd}}^2}+\frac{X^2\·Zd}{X^2+{\mathrm{Zd}}^2}---\left(3\right)$

从式(3)中可以看出，DC-AC逆变器的输出等效阻抗呈感性阻抗，而根据感性阻抗的电流滞后于电压的特性，DC-AC逆变器中的开关管均可以实现零电压导通。具体为，当第一上开关管Q1和第二下开关管Q4导通，第一下开关管Q2和第二上开关管Q3关断时，由于逆变器的输出等效阻抗为感性阻抗，感性阻抗的电流相位会滞后于电压相位90°，之后，第一上开关管Q1和第二下开关管Q4关断，进入死区时间区间，这时，第一电感L1电流不为零，电流通过第一电感L1、原边发射线圈Ls、谐振电容Cs、第一下开关管的体二极管D2和第二上开关管的体二极管D3续流，第一下开关管Q2和第二上开关管Q3的压降下降至零时，开通第一下开关管Q2和第二上开关管Q3，即实现了零电压导通。根据同样的原理，对于第一上开关管Q1和第二下开关管Q4，也可以通过第一电感L1和第一电容C1实现零电压导通。

而根据电路工作原理，所述DC-AC逆变器的工作电流Iac为：

$I_{ac}=\frac{V_{ac}}{\left|Z\right|}=\frac{V_{ac}\·(X^2+{\mathrm{Zd}}^2)}{X^2\·\sqrt{X^2+{\mathrm{Zd}}^2}}=\frac{V_{ac}\sqrt{X^2+{\mathrm{Zd}}^2}}{X^2}---\left(4\right)$

从式(4)中看出，逆变器的工作电流Iac受外界影响较小，当输出负载增加时，等效阻抗Z_d变大，DC-AC逆变器中的电流Iac也相应地增加，这时会更好的帮助逆变器中的开关器件实现软开关开通。相对于上一只有电感L的软开关控制电路，本实施方式无需调节开关管的死区时间，可以更好的实现软开关，提高了工作效率。

在上述实施例中，当所述第一电感L1和第一电容C1的谐振频率设置为ω₀时，所述软开关控制电路还同时能够作为所述电能发射端的阻抗匹配电路，在专利申请号为201510011896.8的发明专利中，阐述了当第一电感L1和第一电容C1的谐振频率设置为***工作频率ω₀时，所述软开关控制电路形成的阻抗匹配电路能够调节原边发射线圈的电流为恒定频率恒定幅值的交变电流，从而提高无线电能的传输效率。

本发明实施例的软开关控制电路，通过第一电感和第一电容实现对逆变器中开关管的零电压导通，电路简单，效果好，并且所述软开关控制电路还可以同时作为原边的阻抗匹配电路，在实现软开关的同时提高了***的电能传输效率。

需要说明的是，上述两个实施例中的DC-AC逆变器分别用半桥逆变器和全桥逆变器示例，但不限于上述的组合方式。例如第一电感和第二电容组合的软开关控制电路也可以调节半桥逆变器的开关管的导通电压，以实现软开关导通；第一电感构成的软开关控制电路也可以调节全桥逆变器的开关管的导通电压，以实现软开关导通。并且，上述的两种软开关控制电路均可以应用于现有技术中的DC-AC逆变器如ClassD逆变器和ClassE逆变器。

本发明还公开了一种非接触电能传输方法，通过相互隔离的电能发射端和电能接收端传输能量，包括以下步骤：

利用直流-交流电压变换器接收直流电压以输出具有预设频率的交流电压，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的***工作频率一致；

调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，以使得所述输出等效阻抗呈感性阻抗；

接收所述交流电压以产生交变磁场，以向所述电能接收端传输能量；

感应所述交变磁场以获得相应的交变电压，将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

优选的，利用第一电感构成的软开关控制电路对所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗进行调节控制。所述电感的感抗值根据所述直流-交流电压变换器的工作电流调节。

优选的利用第一电感和第一电容组成的软开关控制电路对所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗进行调节控制。所述第一电感和第一电容的谐振频率设置为与所述预设频率一致。

最后，本发明还公开了一种非接触电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，所述电能发射端为上述的电能发射端；所述电能接收端包括副边接收线圈和整流滤波电路，所述副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，所述整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。同理，所述非接触电能传输装置同样可以实现对直流-交流电压变换器中开关器件的软开关导通，在高频率下能够降低开关器件损耗，同时还可以利用第一电感和第一电容的构成的软开关电路实现软开关和阻抗匹配的功能，使用器件少，***效率高。

以上对依据本发明的优选实施例的高效率的电能发射端和非接触电能传输装置进行了详尽描述，本领域普通技术人员据此可以推知其他技术或者结构以及电路布局、元件等均可应用于所述实施例。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (12)

1.一种高效率的电能发射端，向与其隔离的电能接收端传输能量，其特征在于，所述电能发射端包括：

直流-交流电压变换器，接收直流电压以输出具有预设频率的交流电压；

电能发射部分，包括原边发射线圈，所述原边发射线圈接收所述交流电压产生交变磁场，以向所述电能接收端传输能量；

软开关控制电路，连接在所述直流-交流电压变换器和电能发射部分之间，用以调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，以使得所述输出等效阻抗呈感性阻抗；

其中,所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的***工作频率一致。

2.根据权利要求1所述的电能发射端，其特征在于，所述电能发射部分还包括原边谐振电容，所述原边谐振电容和所述原边发射线圈的谐振频率为所述预设频率。

3.根据权利要求1或2所述的电能发射端，其特征在于，所述软开关控制电路包括一第一电感，所述第一电感的两端分别连接所述直流-交流电压变换器和所述电能发射部分。

4.根据权利要求3所述的电能发射端，其特征在于，所述电感的感抗值根据所述直流-交流电压变换器的工作电流调节。

5.根据权利要求1或2所述的电能发射端，其特征在于，所述软开关控制电路包括第一电感和第一电容，

所述第一电感的第一端连接所述直流-交流电压变换器的第一输出端，第二端接至所述电能发射部分；

所述第一电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，第二端连接所述直流-交流电压变换器的第二输出端。

6.根据权利要求5所述的电能发射端，其特征在于，所述第一电感和第一电容的谐振频率设置为与所述预设频率一致。

7.一种非接触电能传输方法，通过相互隔离的电能发射端和电能接收端传输能量，其特征在于，包括以下步骤：

利用直流-交流电压变换器接收直流电压以输出具有预设频率的交流电压，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的***工作频率一致；

调节所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗，以使得所述输出等效阻抗呈感性阻抗；

接收所述交流电压以产生交变磁场，以向所述电能接收端传输能量；

感应所述交变磁场以获得相应的交变电压，将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。

8.根据权利要求7所述的电能传输方法，其特征在于，利用第一电感构成的软开关控制电路对所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗进行调节控制。

9.根据权利要求8所述的电能传输方法，其特征在于，所述电感的感抗值根据所述直流-交流电压变换器的工作电流调节。

10.根据权利要求7所述的电能传输方法，其特征在于，利用第一电感和第一电容组成的软开关控制电路对所述直流-交流电压变换器的输出等效阻抗进行调节控制。

11.根据权利要求10所述的电能传输方法，其特征在于，所述第一电感和第一电容的谐振频率设置为与所述预设频率一致。

12.一种非接触电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，其特征在于，

所述电能发射端为权利要求1-6任一项所述的电能发射端；

所述电能接收端包括副边接收线圈和整流滤波电路，所述副边接收线圈感应所述原边发射线圈产生的交变磁场，以获得相应的交变电压，所述整流滤波电路将所述交变电压转换为合适的直流电压供给输出负载。