CN110445231A - 一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，包括原边侧及副边侧；原边侧包括直流电源、H桥高频逆变器、电压检测装置、电流检测装置、控制器、驱动电路以及由第一电容和发射线圈形成的第一谐振电路；副边侧包括由第二电容和接收线圈形成的第二谐振电路、全桥整流滤波电路和负载；负载切换时，控制器根据电压和电流检测装置实时检测形成控制指令，通过驱动电路调节H桥高频逆变器中各开关管的通断时间及顺序来维持H桥高频逆变器输出电压为恒定值，确保副边侧的输出电压稳定，使负载正常工作。实施本发明，自适应负载动态切换并确保副边侧的电压不变来维持负载的正常工作，从而提高了无线电能传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术和新型能量转换技术领域，尤其涉及一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置。
背景技术
近年来,一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。传统的电能传输方式大多通过导线或插座将电能传输到终端产品，在这种传输方式中电源电线频繁地拔插，易产生电火花等问题，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一,这样既造成了浪费,也形成了对环境的污染。因此，无线电能传输技术的推广在我们的生活和工作中，变得尤为重要。
无线电能传输技术(又称无线电力传输技术或非接触电能传输技术)，是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能。因此，实现无线电能传输能摆脱传统的电能传输方式，实现非接触式的新型电能传输。
目前，对于无线电能传输技术研究，感应耦合电能传输(ICPT，Inductivelycoupled power transmission)技术较为广泛。然而，ICPT技术的研究主要是针对恒定负载稳压供电方面，随着人们需求的增加，动态负载供电也随之出现。动态负载供电主要是负载在发生切换时会加大对输出电压的影响，造成输出电压的不稳定和ICPT***的传输效率的降低，这就要求ICPT***输出功率在较宽范围内可调，输出的电压及电流稳定。
然而，在ICPT***中进行负载动态切换时，因负载位于ICPT***的副边侧中而会使副边侧的阻抗发生改变，进而造成副边侧通过互感原理反射到原边侧的阻抗发生变化。因此，在ICPT***中其它参数不变的情况下，反射阻抗的改变会引起原边侧的电压和电流改变，使耦合到副边侧的电压也就改变，导致供给负载的电压就不是原来的稳定电压，可能造成副边侧的输出电压会出现过压和欠压问题，从而影响负载的正常工作，导致无线电能传输无法正常工作。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，能够自适应负载动态切换并确保副边侧的电压不变来维持负载的正常工作，从而提高了无线电能传输的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，包括原边侧以及与所述原边侧通过电磁感应传输能量的副边侧；其中，
所述原边侧包括直流电源、H桥高频逆变器、电压检测装置、电流检测装置、控制器、驱动电路以及由第一电容和发射线圈形成的第一谐振电路；其中，所述H桥高频逆变器包括相并联的两个逆变桥臂，每一逆变桥臂均包括串接在一起的两个逆变子模块，且每一逆变子模块均包括一第一开关管及其反向并联的第一二极管；所述直流电源的两端与所述H桥高频逆变器的每一逆变桥臂的两端均并接；所述第一谐振电路的一端连接于所述H桥高频逆变器中一逆变桥臂的两个逆变子模块之间，另一端连接于所述H桥高频逆变器中另一逆变桥臂的两个逆变子模块之间；所述电压检测装置和所述电流检测装置的一端分别连接在所述H桥高频逆变器与所述第一谐振电路之间，另一端分别与所述控制器相连；所述控制器还通过所述驱动电路与所述H桥高频逆变器中各逆变桥臂上逆变子模块的第一开关管相连；
所述副边侧包括由第二电容和接收线圈形成的第二谐振电路、全桥整流滤波电路和负载；其中，所述全桥整流滤波电路包括均相并联的滤波电容及两个整流桥臂，每一整流桥臂均包括串接在一起的两个整流子模块，且每一整流子模块均包括一第二开关管及其反向并联的第二二极管；所述第二谐振电路的第二电容和接收线圈相并接在一起，且其并接的一端连接于所述全桥整流滤波电路中任一整流桥臂的两个整流子模块之间，并接的另一端与所述全桥整流滤波电路上滤波电容和两个整流桥臂并接的两端均相连；所述第二谐振电路的接收线圈与所述第一谐振电路的发射线圈实现电磁感应耦合；所述负载的一端与所述全桥整流滤波电路上滤波电容和两个整流桥臂并接的一端相连，另一端与所述全桥整流滤波电路上滤波电容和两个整流桥臂并接的另一端相连；
其中，所述副边侧中的负载进行切换时，所述原边侧中的控制器根据接收到所述电压检测装置实时检测原边侧的电压及所述电流检测装置实时检测原边侧的电流，形成控制指令并输出给所述驱动电路，通过所述驱动电路调节所述H桥高频逆变器中各第一开关管的通断时间及顺序来维持所述H桥高频逆变器输出电压为恒定值，进而通过所述发射线圈与所述副边线圈的耦合，确保所述副边侧的输出电压稳定，使得切换后的负载正常工作。
其中，所述H桥高频逆变器中各第一开关管和所述全桥整流滤波电路中各第二开关管均为绝缘栅双极型晶体管IGBT或场效应管。
其中，所述负载为可变电阻或充放电电池。
其中，所述充放电电池为锂电池。
实施本发明实施例，具有以下有益效果：
1、本发明基于电磁感应原理、电磁互感原理和反射阻抗分析方法，当负载切换时，通过实时检测原边侧的电流和H桥高频逆变器输出的电压，利用控制器控制驱动电路，调节H型高频逆变器中各第一开关管的通断时间与顺序来调节原边侧的电流大小，维持H型高频逆变器输出电压的恒定，进而通过原副线圈(即发射线圈和接收线圈)的耦合作用，保持负载的输出电压稳定，从而能够自适应负载动态切换并确保副边侧的电压不变来维持负载的正常工作，从而提高了无线电能传输的可靠性
2、本发明无需添加额外的附加电路，避免了原副边侧侧复杂的通信，且算法过程简便，并具有双向输出稳压的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明实施例提供的一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置的电路连接示意图；
图2为图1的等效原理图；
图3为本发明实施例提供的一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置的应用场景中负载阻抗由R＝5Ω切换到R＝40Ω下的负载电压的波形图；
图4为图3中原边侧的电压和电流的波形图；
图5为本发明实施例提供的一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置的应用场景中负载阻抗由R＝40Ω切换到R＝5Ω下的负载电压的波形图；
图6为图5中原边侧的电压和电流的波形图；
图7为本发明实施例提供的一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置的应用场景中负载为充放电电池实现双向无线电能传输下的原边侧输入端电压Vdc和电池两端电压Vd的波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
发明人发现，如图1所示，在ICPT***中副边侧到原边侧存在反射阻抗，该反射阻抗是指副边侧的负载在接入或者移除时，负载参数是变化的，通过副边侧的接收线圈与原边侧的发射线圈的互感作用，使反射到原边侧的阻抗也会发生改变，在ICPT***其它参数不变的情况下，反射阻抗的改变会引起原边侧的电压和电流改变，使耦合到副边侧的电压也就改变，导致供给负载的电压就不是原来的稳定电压。
为了进一步分析反射阻抗，将图1转换成图2的等效原理图。结合图2，能够计算出原边侧阻抗ZP，副边侧阻抗ZS，反射阻抗Zr，副边电容CS，ICPT***总阻抗ZT，原边线圈(即发射线圈)电流IP以及原边侧输出电压V0：
采用公式(1)计算原边侧阻抗：
其中，Cp为图1中第一电容的等效电容值，Lp为图1中发射线圈的等效电感；Rp为图1中原边侧的等效阻抗；
采用公式(2)计算副边侧阻抗：
其中，LS为副边侧的接收线圈等效电感；Z为副边侧的负载等效阻抗；M为图1中发射线圈与接收线圈间的互感参数；
采用公式(3)计算反射阻抗：
为保持副边侧处于全谐振状态，则：即1-ω2LsCs＝0。
将1-ω2LsCs＝0代入(3)式，则得到反射阻抗为：
采用公式(5)计算***总阻抗：
采用公式(6)，令***总阻抗的虚部等于零：
可得原边侧的谐振电容值(即图1中第一电容的等效电容值)，如公式(7)所示：
当负载动态跳变时，为保证原边侧输出电压的稳定性，需要建立等效输出电压V0，与感应耦合变压器发射线圈谐振补偿电流IP，ICPT***输入等效直流电压Vdc之间的关系才能方便控制。与副边侧的反射阻抗Zr相比，原边侧的发射线圈的内阻RP远远小于副边侧的反射阻抗Zr，故也可以忽略不计。
通过式(4)的推论以及负载等效阻抗Z＝R+jX，采用公式(8)可以得到反射阻抗：
其中，
由以公式(8)可知，当ICPT***中其它各项参数不变时，即互感参数M和副边侧的接收线圈等效电感LS不发生变化，副边侧的反射阻抗Zr与负载等效阻抗Z的实部有关，而且成正比的关系。
当ICPT***工作在全谐振状态时，依据前边推导的公式(3)、(4)、(5)、(7)以及(8)，采用公式(9)可得原边侧的发射线圈的等效电流IP为:
原边侧的输出电压V0为:
其中，负载等效阻抗Z的实部Re(Z)远远大于原边侧的发射线圈的内阻RP，即Z＞RP，故RP也可以忽略不计。
则，此时有输出电压V0为：
由公式(10)可以得出，ICPT***的互感参数M和副边侧的接收线圈等效电感LS一定，此时原边侧的输出电压V0就只与H桥高频逆变器等效输出电压Vin成正比，因此可以采用保持H桥高频逆变器等效输出电压Vin恒定，来保持原边侧的输出电压V0稳定。此时，原边侧的谐振补偿电流IP和副边侧的负载等效阻抗Z的实部Re(Z)成反比。
由此可见，当ICPT***中副边侧的负载动态变化时，若检测到H桥高频逆变器等效输出电压Vin和原边侧的等效电流IP发生变化，可以将上述电压和电流信号内部处理后，控制H桥高频逆变器各开关管的通断顺序和时间来保持H桥高频逆变器等效输出电压Vin恒定不变，就可以保持原边侧的输出电压V0稳定，进而通过原副边侧的线圈耦合，确保副边侧的输出电压也稳定，使切换后的负载能够正常工作。
为此，在本发明实施例中，发明人提出一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，包括图1所示的原边侧1以及与原边侧1通过电磁感应传输能量的副边侧2；其中，
原边侧1包括直流电源11、H桥高频逆变器12、电压检测装置13、电流检测装置14、控制器15、驱动电路16以及由第一电容(等效电容值为Cp)和发射线圈(等效电感值为Lp)形成的第一谐振电路17；其中，H桥高频逆变器12包括相并联的两个逆变桥臂121，每一逆变桥臂121均包括串接在一起的两个逆变子模块，且每一逆变子模块均包括一第一开关管(Q1～Q4)及其反向并联的第一二极管；直流电源11的两端与H桥高频逆变器12的每一逆变桥臂121的两端均并接；第一谐振电路17的一端连接于H桥高频逆变器12中一逆变桥臂121的两个逆变子模块之间，另一端连接于H桥高频逆变器12中另一逆变桥臂121的两个逆变子模块之间；电压检测装置13和电流检测装置14的一端分别连接在H桥高频逆变器12与第一谐振电路17之间，另一端分别与控制器15相连；控制器15还通过驱动电路16与H桥高频逆变器12中各逆变桥臂121上逆变子模块的第一开关管(Q1～Q4)相连；
副边侧2包括由第二电容(等效电容值为Cs)和接收线圈(等效电感值为Ls)形成的第二谐振电路21、全桥整流滤波电路22和负载23(等效阻抗为Z)；其中，全桥整流滤波电路22包括均相并联的滤波电容221及两个整流桥臂222，每一整流桥臂222均包括串接在一起的两个整流子模块，且每一整流子模块均包括一第二开关管(Q5～Q8)及其反向并联的第二二极管；第二谐振电路21的第二电容和接收线圈相并接在一起，且其并接的一端连接于全桥整流滤波电路22中任一整流桥臂222的两个整流子模块之间，并接的另一端与全桥整流滤波电路22上滤波电容221和两个整流桥臂222并接的两端均相连；第二谐振电路21的接收线圈(等效电感值为Lp)与第一谐振电路17的发射线圈(等效电感值为Ls)实现电磁感应耦合；负载23的一端与全桥整流滤波电路22上滤波电容221和两个整流桥臂222并接的一端相连，另一端与全桥整流滤波电路22上滤波电容221和两个整流桥臂222并接的另一端相连；
其中，副边侧2中的负载23进行切换时，原边侧1中的控制器15根据接收到电压检测装置13实时检测原边侧1的电压及电流检测装置14实时检测原边侧1的电流，形成控制指令并输出给驱动电路16，通过驱动电路16调节H桥高频逆变器12中各第一开关管(Q1～Q4)的通断时间及顺序来维持H桥高频逆变器12输出电压为恒定值，进而通过发射线圈与副边线圈的耦合，确保副边侧2的输出电压稳定，使得切换后的负载23正常工作。
应当说明的是，副边侧1中全桥整流滤波电路22的各整流桥臂222上的各第二开关管(Q5～Q8)通断时间及顺序可以采用原边侧1上的控制器15及配套的另一驱动电路来控制，也可以在副边侧1中采用另一控制器及其配套的另一驱动电路来控制，或者还可以采用固定的PWM信号源来直接控制。但是，副边侧1中全桥整流滤波电路22的各整流桥臂222上的各第二开关管(Q5～Q8)通断时间及顺序不属于本发明的重点，详见现有技术，默认为固定的PWM信号源来直接控制，在此不再赘述。
在本发明实施例中，H桥高频逆变器中各第一开关管和所述全桥整流滤波电路中各第二开关管均为绝缘栅双极型晶体管IGBT或场效应管。
在本发明实施例中，负载为可变电阻或充放电电池。当负载为充放电电池时，该充放电电池为锂电池，可以实现从原边侧向电池充电，也可实现从电池向原边侧放电，即可实现无线电能双向传输，只需通过原边侧的电压和电流检测电路调节输出电压，无需添加额外的附加电路，避免了原副边侧复杂的通信，且算法过程简便，并具有双向输出稳压的性能。
如图3至图7所示，对本发明实施例中的基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置的应用场景做进一步说明：
为了验证本发明提出的一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制方法的可行性和有效性，采用了Matlab/Simulink仿真平台建立***仿真模型，其中原、副边***的主要参数如下表1所示：
表1
| 参数名称 | 参数值 | 参数名称 | 参数值 |
| 原边电感L<sub>p</sub>/μH | 145 | 频率f/KHz | 50 |
| 原边电容C<sub>p</sub>/μF | 0.16 | 副边电容C<sub>p</sub>/μF | 0.7 |
| 原边线圈等效电阻R<sub>p</sub>/Ω | 0.336 | 副边内阻R<sub>p</sub>/Ω | 0.336 |
| 副边电感L<sub>p</sub>/μH | 30 | 互感M/μH | 40 |
在图3中，仿真电路在50ms时刻负载阻抗由R＝5Ω切换到R＝40Ω，负载的电压立即发生突变，此时测量模块能够实时检测到反射阻抗的变化引起的发射端电压和电流的变化，将实时的电压和电流送至控制模块进行转换处理后输出四路驱动信号，再经过放大后驱动逆变桥的交替工作，使输出电压恢复到原来的稳定数值。由图3所示，***在调节3ms后，继续按切换前的电压20V稳定运行下去。
***在50ms由重负载切换到了轻负载下，由图4可知，原边侧电压保持恒定，而副边侧电流减小，此时输入功率减小。原边侧电压和电流在恢复的过程中，会伴随有抖动现象。
在图5中，仿真电路在50ms时刻负载阻抗由R＝40Ω切换到R＝5Ω，负载的电压立即发生突变，此时测量模块能够实时检测到反射阻抗的变化引起的发射端电压和电流的变化，将实时的电压和电流送至控制模块进行转换处理后输出四路驱动信号，再经过放大后驱动逆变桥的交替工作，使输出电压恢复到原来的稳定数值。由图5所示，***在调节3ms后，继续按切换前的电压20V稳定运行下去。
***在50ms由轻负载切换到了重负载下，由图6可知，原边侧电压保持恒定，而副边侧电流减小，此时输入功率减小。原边侧电压和电流在恢复的过程中，会伴随有抖动现象。
通过以上的仿真分析可以看出：***在恒定负载回路下输出电压虽然一开始有所波动，但很快就一直稳定输出，***的仿真时间为0.1s，负载回路在50ms切换下，不论是重负载切换到轻负载，还是轻负载切换到重负载，输出电压仿真波形波动3ms～4ms就恢复到原来的稳定输出电压状态，与此同时仍能保持发射端电压的恒定。
在图7中，双向无线电能传输时，***在0～50ms时原边输入电压Vdc＝50V，此时原边侧通过H型高频逆变器、全桥整流滤波电路给负载电池充电。***在50ms～100ms时，负载电池作为***的供电电源，电池开始放电，电池两端电压大小为Vd＝20V，原充电时的全桥整流滤波电路、H型高频逆变器作用发生变化，此时全桥整流滤波电路充当H型高频逆变器的作用，H型高频逆变器充当全桥整流滤波电路的作用，电池通过全桥整流滤波电路、H型高频逆变器给原边侧供电。此时，即可实现双向无线电能传输。
实施本发明实施例，具有以下有益效果：
1、本发明基于电磁感应原理、电磁互感原理和反射阻抗分析方法，当负载切换时，通过实时检测原边侧的电流和H桥高频逆变器输出的电压，利用控制器控制驱动电路，调节H型高频逆变器中各第一开关管的通断时间与顺序来调节原边侧的电流大小，维持H型高频逆变器输出电压的恒定，进而通过原副线圈(即发射线圈和接收线圈)的耦合作用，保持负载的输出电压稳定，从而能够自适应负载动态切换并确保副边侧的电压不变来维持负载的正常工作，从而提高了无线电能传输的可靠性
2、本发明无需添加额外的附加电路，避免了原副边侧侧复杂的通信，且算法过程简便，并具有双向输出稳压的性能。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (4)
1.一种基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，包括原边侧以及与所述原边侧通过电磁感应传输能量的副边侧；其中，
所述原边侧包括直流电源、H桥高频逆变器、电压检测装置、电流检测装置、控制器、驱动电路以及由第一电容和发射线圈形成的第一谐振电路；其中，所述H桥高频逆变器包括相并联的两个逆变桥臂，每一逆变桥臂均包括串接在一起的两个逆变子模块，且每一逆变子模块均包括一第一开关管及其反向并联的第一二极管；所述直流电源的两端与所述H桥高频逆变器的每一逆变桥臂的两端均并接；所述第一谐振电路的一端连接于所述H桥高频逆变器中一逆变桥臂的两个逆变子模块之间，另一端连接于所述H桥高频逆变器中另一逆变桥臂的两个逆变子模块之间；所述电压检测装置和所述电流检测装置的一端分别连接在所述H桥高频逆变器与所述第一谐振电路之间，另一端分别与所述控制器相连；所述控制器还通过所述驱动电路与所述H桥高频逆变器中各逆变桥臂上逆变子模块的第一开关管相连；
所述副边侧包括由第二电容和接收线圈形成的第二谐振电路、全桥整流滤波电路和负载；其中，所述全桥整流滤波电路包括均相并联的滤波电容及两个整流桥臂，每一整流桥臂均包括串接在一起的两个整流子模块，且每一整流子模块均包括一第二开关管及其反向并联的第二二极管；所述第二谐振电路的第二电容和接收线圈相并接在一起，且其并接的一端连接于所述全桥整流滤波电路中任一整流桥臂的两个整流子模块之间，并接的另一端与所述全桥整流滤波电路上滤波电容和两个整流桥臂并接的两端均相连；所述第二谐振电路的接收线圈与所述第一谐振电路的发射线圈实现电磁感应耦合；所述负载的一端与所述全桥整流滤波电路上滤波电容和两个整流桥臂并接的一端相连，另一端与所述全桥整流滤波电路上滤波电容和两个整流桥臂并接的另一端相连；
其特征在于，所述副边侧中的负载进行切换时，所述原边侧中的控制器根据接收到所述电压检测装置实时检测原边侧的电压及所述电流检测装置实时检测原边侧的电流，形成控制指令并输出给所述驱动电路，通过所述驱动电路调节所述H桥高频逆变器中各第一开关管的通断时间及顺序来维持所述H桥高频逆变器输出电压为恒定值，进而通过所述发射线圈与所述副边线圈的耦合，确保所述副边侧的输出电压稳定，使得切换后的负载正常工作。
2.如权利要求1所述的基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，其特征在于，所述H桥高频逆变器中各第一开关管和所述全桥整流滤波电路中各第二开关管均为绝缘栅双极型晶体管IGBT或场效应管。
3.如权利要求1所述的基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，其特征在于，所述负载为可变电阻或充放电电池。
4.如权利要求3所述的基于反射阻抗的无线电能传输稳压控制装置，其特征在于，所述充放电电池为锂电池。
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