CN106655534A - 一种非接触电能传输*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非接触电能传输***，包括：包括E类功率放大器的逆变单元，与非接触电能传输***的输入端相连，用于将输入非接触电能传输***的直流电能转换为交流电能；包括耦合电感的谐振单元，与逆变单元相连，用于通过谐振将逆变单元输出的交流电能转换为直流电能；其中，耦合电感包括发射线圈和与发射线圈相耦合的接收线圈；发射线圈将转换的直流电通过耦合传输至接收线圈并予以输出。本发明的开关元件少，电路结构简单，不再需要其他的补偿元件；并且，本发明的E类功率放大器的软开关条件不受外接的负载电阻影响，在保证了***可靠性的前提下实现了电能的高效率传输。
Description
技术领域
本发明涉及感应耦合式非接触电能传输***，特别是涉及一种基于E类功率放大器的感应耦合式的非接触电能传输***。
背景技术
感应耦合式非接触电能传输***，利用发射线圈通过松耦合向接收线圈传递能量，进一步传递至负载，实现非接触供电。并且，由于发射线圈和接收线圈之间的耦合系数一般较小，而为获得较大的传输功率和效率，电路在设计时发射侧和接收侧都要进行补偿，运行时采用频率跟踪方法使电能传输******处于谐振。一般采用的补偿方式有串联-串联补偿、串联-并联补偿、并联-串联补偿、并联-并联补偿及其他复杂的高阶补偿方式。不同形式的补偿电路具有不同的特点，可以根据实际需要采用不同的补偿方式。然而补偿电路的存在使得电路传输***的结构变得相对复杂，特别是，如果要求较好的***特性时，则需要采用具有更多元件的高阶补偿电路，使得电路变得更加复杂，难以控制。
目前，基于E类功率放大器的电力电子变换电路工作在软开关条件下，降低了电能传输***的损耗，具有效率高的特点。如图1所示，经典的E类电力电子变换电路的拓扑结构包括半导体开关S、直流电感L0、第一电容C1、第二电容C2和串联电感LS；并且半导体开关S采用NMOS管。其中，直流电感L0的一端与输入电源相连，另一端分别与第一电容的C1一端、第二电容C2的一端和半导体开关S的漏极相连；半导体开关S的漏极分别与直流电感L0的一端、第一电容C1的一端和第二电容C2的一端相连接；源极分别与输入电源、第一电容C1的另一端和E类电力电子变换电路的外接负载电阻RL相连；栅极与控制电源相连；第一电容C1的一端分别与直流电感L0的另一端、半导体开关S的漏极和第二电容C2的一端连接，另一端分别与输入电源、半导体开关S的源极和外接负载电阻L0连接；第二电容C2的一端分别与直流电感L0的另一端、半导体开关S的漏极和第一电容C1的一端连接，另一端与串联电感LS的一端相连；串联电感LS的一端与第二电容C2的另一端连接，另一端与外接负载电阻RL相串联。
但是，在对基于E类功率放大器的电力电子变换电路进行设计时，需要根据负载电阻的大小，设计相应的电路的谐振部分。当负载电阻发生变化时，电路的谐振部分(第二电容和串联电感)的谐振条件会发生变化，可能会导致半导体开关S工作在非软开关(即半导体开关S的漏极和源极的电压不为0)状态，从而降低E类电路电子变换电路的效率。因此，一般E类功率放大器的电力电子变换电路在工作时，必须限制负载电阻变化范围。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非接触电能传输***，用于解决现有技术中如何在保证非接触电能传输***的高效率的同时，避免负载对非接触电能传输***的影响的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种非接触电能传输***，包括：包括E类功率放大器的逆变单元，与所述非接触电能传输***的输入端相连，用于将输入所述非接触电能传输***的直流电能转换为交流电能；包括耦合电感的谐振单元，与所述逆变单元相连，用于通过谐振将所述逆变单元输出的交流电能转换为直流电能；其中，所述耦合电感包括发射线圈和与所述发射线圈相耦合的接收线圈；所述发射线圈将转换的直流电能通过耦合传输至所述接收线圈并予以输出。
于本发明的一实施例中，所述逆变单元还包括直流电感，所述直流电感连接在所述E类功率放大器和所述非接触电能传输***的输入端之间。
于本发明的一实施例中,所述E类功率放大器为NMOS管；所述NMOS管的源极和漏极分别连接在所述非接触电能传输***的输入端；且源极和漏极还与所述谐振单元相连。
于本发明的一实施例中,所述谐振单元还包括第一电容和第二电容；所述第一电容的一端分别与所述NMOS管的漏极和所述第二电容的一端相连；另一端分别与所述NMOS管的源极和所述发射线圈的另一端连接；所述第二电容的一端分别与所述NMOS管的漏极和所述第一电容的一端相连；另一端与所述发射线圈的一端相连；所述发射线圈连接在所述第一电容和所述第二电容之间。
如上所述，本发明的一种非接触电能传输***使用包括E类功率放大器的电路电子变换电路，开关元件少，电路结构简单；并且，除了基本的谐振电感(发射线圈L1)和电容(第一电容C1和第二电容C2)外，不再需要其他的补偿元件；并且，本发明的非接触电能传输***的E类功率放大器的软开关条件不受外接负载电阻的影响，在保证了***可靠性的前提下实现了电能的高效率传输。
附图说明
图1显示为现有技术中E类电力电子变换电路的结构示意图。
图2显示为本发明实施例公开的一种非接触电能传输***的结构示意图。
图3显示为本发明实施例公开的一种非接触电能传输***的仿真模型的结构示意图。
图4～图6显示为本发明实施例公开的一种非接触电能传输***的仿真模型的等效电路结构示意图。
图7显示为本发明实施例公开的一种非接触电能传输***的仿真模型中，等效的串联电阻和负载电阻的折算电阻间的关系示意图。
图8显示为本发明实施例公开的一种非接触电能传输***的仿真模型中，等效的串联电感的感抗和负载电阻的折算电阻间的关系示意图。
图9显示为本发明实施例公开的一种非接触电能传输***的仿真模型外接不同阻值的负载电阻时，E类功率放大器的漏源电压和输出电压随时间变化的关系示意图。
元件标号说明
200 非接触电能传输***
210 逆变单元
220 谐振单元
221 耦合电感
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅附图。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供了一种非接触电能传输***，其采用E类电力电子变换电路，并利用耦合电感的阻抗变换功能，将接在耦合电感中一个电感上负载电阻，变换成满足E类电力电子变换电路实现软开关需要的电阻值，从而实现E类电力电子变换电路在任意负载电阻情况下的可靠工作，进一步保证了非接触电能传输***的***效率。
本实施例公开了一种非接触电能传输***200，如图2所示，包括逆变单元210和谐振单元220。其中，
与输入端相连的逆变单元210用于将输入至非接触电能传输***的直流电转换为交流电。
逆变单元210包括直流电感L0和E类功率放大器S。直流电感L0和输入的直流电压源构成电流源。E类功率放大器S作为半导体开关，用于实现逆变，用于将直流电能转换为交流电能。其中，E类功率放大器指的是一种高效率的功率放大器，在理想情况下，它可以达到100％的效率。在这种功率放大器中，功率管的驱动电压幅度必须足够强，使得输出功率管相当于一个受控的开关，在完全导通(晶体管工作于线性区)和完全截止(晶体管工作于截止区)之间切换。由于流过理想开关的电流波形和开关上的电压波形没有重叠，理想开关不消耗功耗，电源提供的直流功耗都转换为输出功率，将达到100％的效率。
优选地，本实施例的E类功率放大器S为NMOS管。需要说明的是，本发明的E类功率放大器S并不仅限于NMOS管这一种形式，只要是在理想情况下，能够达到100％的效率的功率放大器均在本发明的保护范围内。
逆变单元210的直流电感L0的一端与输入端相连，另一端与E类功率放大器S的漏极相连；
E类功率放大器S的漏极与直流电感的另一端相连，源极与输入端相连；栅极与相应的E类功率放大器S的控制器件(在图2中未画出)相连。
谐振单元220包括耦合电感221、第一电容C1和第二电容C2，用于通过谐振将逆变单元210输出的交流电能转换为直流电能。其中，耦合电感221包括发射线圈L1和接收线圈L2，且发射线圈L1通过耦合将转换的直流电能传递至接收线圈L2并予以输出。
第一电容C1的一端分别与直流电感L0的另一端、E类功率放大器S的漏极和第二电容C2的一端连接，另一端分别与输入电源、E类功率放大器S的源极和发射线圈L1的另一端连接；
第二电容C1的一端分别与直流电感L0的另一端、E类功率放大器S的漏极和第一电容C1的一端连接，另一端与发射线圈L1的一端相连；
发射线圈L1连接在第一电容C1和第二电容C2之间。
接收线圈L2与外接的负载电阻RL相串联，用于为外接的负载电阻RL提供电能，且接收线圈L2无须额外的补偿电路。
通过本实施例的包括E类功率放大器S的逆变单元210和谐振单元220所组成非接触电能传输***200，利用耦合电感221构成E类功率放大器S的谐振部分，并且，接收线圈L2也无须额外的补偿电路，使得本发明的非接触电能传输***200的电路结构更加简单，且无论外接的负载电阻RL如何变化，均能够满足E类功率放大器S的零电压的软开关条件。
进一步地，本实施例搭建了一个完整的非接触电能传输***模型，使用该模型进行仿真，来证明本实施例的非接触电能传输***的传输效率不受外接负载的影响。非接触电能传输***模型如图3所示，将直流电压源(其电压大小为Ui)作为输入电源接入至本实施例的非接触电能传输***，将外接的负载电阻RL与接收线圈L2串接在一起。并且，该仿真模型的关键参数如表一所示：
表一非接触电能传输***的模型的仿真参数表
| 参数名称 | 数值 | 参数名称 | 数值 |
| 开关频率fs | 100kHz | 输入电压Ui | 100、150、200、268V |
| 直流电感L0 | 20mH | 第一电容C1 | 7.05nF |
| 第二电容 | 4.34nF | 发射线圈L1 | 172.9μH |
| 接收线圈L2 | 512.3μH | 耦合系数k | 0.165、0.24、0.304 |
并且，E类功率放大器S的栅极和源极之间还串联了一个由电压源和电阻构成的驱动电路(未在图3中标识)，用于保证E类功率放大器S的正常工作。并且，在本仿真模型中，该电阻的阻值为10Ω，该电压源采用电压为15、占空比50％的脉动电压源。
使用耦合电感221的变压器等效模型，图3所示的模型可以等效为图4所示的电路，即，耦合电感221等效为理想变压器T、漏感L1k和励磁电感Lm。其中，理想变压器T的变比为n。
漏感L1k的一端与第二电容C2的另一端连接，另一端分别与理想变压器T的第一端和励磁电感Lm的一端相连；
励磁电感Lm的一端分别与理想变压器T的第一端和漏感L1k的另一端连接；另一端分别与直流电压源、作为半导体开关的E类功率放大器S的源极、第一电容C1的另一端和理想变压器T的第二端连接；
外接的负载电阻RL连接在理想变压器T的第三端和第四端之间；此时，负载电阻RL两端的输出电压为Uo。
进一步，理想变压器T把负载电阻RL折算到一次侧等效成折算电阻R1，如图5所示，即励磁电感Lm的两端并联该折算电阻R1。并且，由于理想变压器T的变比为n，那么折算电阻R1的阻值为RL/n2；此时折算电阻R1两端的电压为nUo。
再将图5中相并联的励磁电感Lm和折算电阻R1等效为串联的电感和电阻，如图6所示，等效后的串联电感为Lms和串联电阻为R1S。漏感L1k和串联电感LMS相串联，作为谐振电感，且漏感L1k、串联电感LMS和第二电容C2相串联，构成了E类功率放大器S的谐振部分。
并且，串联电感LMS的感抗XLS和串联电阻R1S与励磁电感Lm和折算电阻R1的等效关系为：
R1S＝R1/(1+q2)＝RL/(n2(1+q2))； (1)
XLS＝XLm/(1+q-2)； (2)
其中，q表示并联的励磁电感Lm和折算电阻R1的品质因数：q＝XLm/R1；XLm表示励磁电感Lm的感抗。
根据公式(1)和公式(2)，不难算出折算电阻R1与串联电感LMS的感抗XLS和串联电阻R1S的关系，其中，折算电阻R1与串联电阻R1S的关系如图7所示，不论折算电阻R1，即负载电阻RL如何变化，其等效后的串联电阻R1S的阻值最大就为励磁电感Lm的感抗XLm的一半；折算电阻R1与串联电感LMS的感抗XLS的关系如图8所示，不论折算电阻R1如何变化，等效后的串联电感LMS的感抗XLS始终小于励磁电感的感抗XLm。
由此不难看出，折算电阻R1经过串联等效后被限制在一定范围内，那么在设计非接触电能传输***200的电路参数时，根据此等效串联电阻R1S的极值进行计算第一电容C1和第二电容C2的参数，就可使本实施例的非接触电能传输***200不受外接的负载电阻RL变化的影响，总是满足电力电子变换电路的E类功率放大器S的软开关条件，从而保证了电能传输的效率。
进一步地，采用表1所示的参数进行仿真：将负载电阻RL的阻值分别设置为5Ω、15Ω和45Ω。此时，对应不同的负载电阻RL，E类功率放大器S的漏源电压Vcp波形与输出电压Uo(图9中用Vout表示)的波形如图9所示。
从E类功率放大器S的漏源电压Vcp的波形不难看出，不论负载电阻RL如何变化，作为半导体开关的E类功率放大器S都能够保持其处于零电压时的开通条件，且输出电压Uo(图9中用Vout表示)的波形虽然也随着负载电阻RL发生变化，但却始终输出为正弦波形。
综上所述，本发明的一种非接触电能传输***使用包括E类功率放大器的电路电子变换电路，开关元件少，电路结构简单；并且，除了基本的谐振电感(发射线圈L1)和电容(第一电容C1和第二电容C2)外，不再需要其他的补偿元件；并且，本发明的非接触电能传输***的E类功率放大器的软开关条件不受外接负载电阻的影响，在保证了***可靠性的前提下实现了电能的高效率传输。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种非接触电能传输***，其特征在于，包括：
包括E类功率放大器的逆变单元，与所述非接触电能传输***的输入端相连，用于将输入所述非接触电能传输***的直流电能转换为交流电能；
包括耦合电感的谐振单元，与所述逆变单元相连，用于通过谐振将所述逆变单元输出的交流电能转换为直流电能；其中，所述耦合电感包括发射线圈和与所述发射线圈相耦合的接收线圈；
所述发射线圈将转换的直流电能通过耦合传输至所述接收线圈并予以输出。
2.根据权利要求1所述的非接触电能传输***，其特征在于：所述逆变单元还包括直流电感，所述直流电感连接在所述E类功率放大器和所述非接触电能传输***的输入端之间。
3.根据权利要求1所述的非接触电能传输***，其特征在于：所述E类功率放大器为NMOS管；
所述NMOS管的源极和漏极分别连接在所述非接触电能传输***的输入端；且源极和漏极还与所述谐振单元相连。
4.根据权利要求2所述的非接触电能传输***，其特征在于：所述谐振单元还包括第一电容和第二电容；
所述第一电容的一端分别与所述NMOS管的漏极和所述第二电容的一端相连；另一端分别与所述NMOS管的源极和所述发射线圈的另一端连接；
所述第二电容的一端分别与所述NMOS管的漏极和所述第一电容的一端相连；另一端与所述发射线圈的一端相连；
所述发射线圈连接在所述第一电容和所述第二电容之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170510 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |