CN114421634A - 一种无线电能传输***以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线电能传输***以及方法，包括三相交流输入端、三相矩阵变换器、发射端、接收端，利用滤波器对三相交流电源滤除高频电网电流，得到输入电压，利用数字信号处理器对设定负载电压与实际负载电压计算，得到PWM信号，利用所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器的开通关断，将所述输入电压输入所述矩阵处理器得到高频电压，利用所述高频电压激励发射端产生高频磁场，利用所述高频磁场对所述接收端作用，耦合产生电流，实现无线电能传输；本发明通过控制所述矩阵处理器中双向开关的开通关断实现了高功率级的应用，通过数字信号处理器，实现直接控制负载电压、负载电流的能力。

Description

一种无线电能传输***以及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种无线电能传输***以及方法。
背景技术
矩阵变换器：矩阵变换器是一种新型的交-交电源变换器，其不需要中间的直流储能环节，可以直接实现交流电相位、幅值、频率等参数的变换。
无线电能传输(WPT)：无线电能传输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化为电能，实现无线电能传输。本文中WPT即指无线电能传输。
近年来，便携式电器，家用设备和电动汽车等大功率器件都需要充电或者电池供电。电源电线的频繁拔插既不方便也不美观，在雨雪天气还有安全隐患，因此，无线充电技术得到越来越多的关注。常见的WPT***的整流器环节通常使用电解电容器来稳定直流电压，这种电容器体积大，价格昂贵且寿命短，使得WPT***不够稳定。现有单相矩阵变换器，直接将20kHz的脉冲电压作用于双向非接触接口的谐振网络。可是由于电网电流的限制，该矩阵变换器不能满足高功率级的应用，并且没有直接负载电压/电流控制能力。因此需要设计一个满足高功率且可以直接在发射端控制负载电压的无线电能传输***。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线电能传输***以及方法，以解决现有矩阵变换器不能满足高功率且没有直接负载电压/电流控制能力。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无线电能传输***以及方法，包括：
三相交流输入端、包括6个双向开关的三相矩阵变换器、发射端、接收端、数字信号处理器；
所述三相交流输入端，用于将输入电压传输至所述三相矩阵变换器；
所述数字信号处理器，用于检测电网电压相位值后对设定负载电压与实际负载电压计算调制，产生PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
所述三相矩阵变换器，用于接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
所述发射端，用于发射线圈由所述高频电压提供能量，使其在电源激励下产生高频磁场；
所述接收端，用于通过所述高频磁场作用下产生电流。
优选地，所述三相矩阵变换器包括：
6个双向开关，其中，每两个所述双向开关设置于所述三相矩阵变换器的同一桥臂上，每个双向开关包括两个MOSFET。
优选地，所述数字信号处理器包括：
比例积分控制器、数字锁相环、PWM发生器；
所述比例积分控制器，用于将设定负载电压与实际负载电压的差值作为误差生成参考向量；
所述数字锁相环，用于检测所述电网电压相位值并根据所述相位值在预先定义的6个扇区内选择目标扇区与所述目标扇区对应的有效电压矢量，以便利用空间矢量调制方法合成所述参考向量，得到参考矢量；
其中，每个扇区包括6个有效电压矢量与3个零电压矢量；
所述PWM发生器，用于基于所述参考矢量的驱动，生成PWM信号，控制所述三相矩阵变换器中6个双向开关的开通关断，输出与所述设定负载电压对应的目标高频电压。
优选地，所述三相电源输入端包括：
三相电源输入与输入滤波器；
所述三相电源输入，用于对所述无线电能传输***提供电源；
所述输入滤波器，用于对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到特定频率的电源信号。
优选地，所述发射端包括：
发射端补偿电容CT、发射端补偿电感Lf1、发射端发射线圈LT；
优选地，所述接收端包括：
接收端补偿电容CR、接收端补偿电感Lf2、接收端接收线圈LR；
优选地，所述接收端包括：
二极管整流桥，用于稳定所述接收端直流电压。
优选地，一种无线电能传输方法，包括：
利用所述三相交流输入端提供输入电压至所述三相矩阵变换器；
利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
利用所述三相矩阵变换器接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
利用所述高频电压激励发射端产生高频磁场；
利用所述高频磁场对所述接收端作用，耦合产生电流，实现无线电能传输。
优选地，所述三相矩阵变换器包括：
6个双向开关，其中，每两个所述双向开关设置于所述三相矩阵变换器的同一桥臂上，每个双向开关包括两个MOSFET。
优选地，所述利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器包括：
其中所述数字信号处理器，包括比例积分控制器、数字锁相环与PWM发生器；
利用所述比例积分控制器，将设定负载电压与实际负载电压的差值作为误差生成参考向量；
利用所述数字锁相环，检测所述电网电压相位值并根据所述相位值在预先定义的6个扇区内选择目标扇区与所述目标扇区对应的有效电压矢量，以便利用空间矢量调制方法合成所述参考向量，得到参考矢量；
利用所述参考矢量驱动PWM发生器，生成PWM信号，控制所述三相矩阵变换器中6个双向开关的开通关断，输出与所述设定负载电压对应的目标高频电压。
本发明所提供的一种无线电能传输***以及方法，利用所述三相交流输入端提供输入电压至所述三相矩阵变换器，利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器，利用所述三相矩阵变换器接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压，利用所述高频电压激励发射端产生高频磁场，利用所述高频磁场对所述接收端作用，耦合产生电流，实现无线电能传输。本发明通过控制所述矩阵处理器中双向开关的开通关断，输出不同频率的高频电压，实现了高功率级的应用，通过数字信号处理器中比例积分控制器对设定负载电压与实际负载电压计算生成参考向量，实现直接控制负载电压、负载电流的能力。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种无线电能传输***的结构图；
图2为本发明所提供的三相电网电压及对应扇区；
图3为本发明所提供的一种无线电能传输***的第一种具体实施例的流程图；
图4为本发明所提供的数字信号处理器直接负载电压控制图；
图5为本发明所提供的参考矢量合成图；
图6为本发明所提供的电源开关的矢量排序图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种无线电能传输***以及方法，通过调制三相矩阵变换器开关状态，满足了无线电能传输高功率级的应用，实现了直接控制负载电压、负载电流的能力。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种无线电能传输***包括：
三相交流输入端、包括6个双向开关的三相矩阵变换器、发射端、接收端、数字信号处理器；
其中所述三相交流输入端，包括三相电源输入与输入滤波器，所述三相电源输入，用于为整个***提供三相电源，所述输入滤波器，用于对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到特定频率的电源信号；
所述三相矩阵变换器，包括三个桥臂，同一所述桥臂包括2个双向开关，通过调整所述双向开关闭合状态，将三相电源变换出高频电压；
所述数字信号处理器，包括比例积分控制器、数字锁相环、PWM发生器，所述比例积分控制器，用于将设定负载电压与实际负载电压的差值作为误差生成参考向量，所述数字锁相环，用于检测所述电网电压相位值并根据所述相位值在预先定义的6个扇区内选择目标扇区与所述目标扇区对应的有效电压矢量，以便利用空间矢量调制方法合成所述参考向量，得到参考矢量；
如图2所示：三相电网电压及对应扇区；
其中，每个扇区包括6个有效电压矢量与3个零电压矢量；
所述PWM发生器，用于基于所述参考矢量的驱动，生成PWM信号，控制所述三相矩阵变换器中6个双向开关的开通关断，输出与所述设定负载电压对应的目标高频电压。
所述发射端包括发射端补偿电容CT、发射端补偿电感Lf1、发射端发射线圈LT；
所述接收端包括接收端补偿电容CR、接收端补偿电感Lf2、接收端接收线圈LR；
所述三相交流输入端，用于将输入电压传输至所述三相矩阵变换器；
所述数字信号处理器，用于检测电网电压相位值后对设定负载电压与实际负载电压计算调制，产生PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
所述三相矩阵变换器，用于接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
所述发射端，用于在所述高频电压激励下产生高频磁场；
所述接收端，用于在所述高频磁场作用下产生电流。
本实施例所提供一种无线电能传输***可直接实现交流电的相位、幅值、频率的变换，通过不同的电压矢量在发射线圈上有选择的输出，可以将三相电源变换出高频电压，以驱动传输线圈，并且消除了复杂的电流换流策略，可以直接控制负载电压，添加所述LCL型补偿，使其各支路电流互感影响较小，***稳定，具有较好鲁棒性，所述接收端采用所述二极管整流桥稳定直流电压。
请参考图3，图3为本发明所提供的一种无线电能传输方法的第一种具体实施例的流程图，具体操作步骤如下：
步骤S301：利用所述滤波器对三相交流电源滤除高频电网电流，得到输入电压；
本发明所提出的无线电能传输***引入了LC滤波器，因此得到输入电压为：
Figure BDA0003427479710000071
其中uA，uB，uC为电网电压，uiA，uiB，uiC为输入电压，RLA，RLB，RLC为输入滤波器的电阻，LA，LB，LC为输入滤波器的电感值，iA，iB，iC为栅极电流。
输入电流与栅极电流的关系为：
Figure BDA0003427479710000072
其中diag表示对角矩阵，CA，CB，CC表示输入滤波器的电容值。
步骤S302：利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对设定负载电压与实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
所述数字信号处理器，包括比例积分控制器、数字锁相环与PWM发生器；
如图4所示：数字信号处理器直接负载电压控制图；
利用所述比例积分控制器，将设定负载电压与实际负载电压的差值作为误差生成参考向量；
利用所述数字锁相环，检测所述电网电压相位值并根据所述相位值在预先定义的6个扇区内选择目标扇区与所述目标扇区对应的有效电压矢量，以便利用空间矢量调制方法合成所述参考向量，得到参考矢量；
如表1所示，各扇区及对应电压矢量；
表1扇区及对应电压矢量选择
Figure BDA0003427479710000081
如图5所示，参考矢量合成图；
其中d1，d2，d0分别为V1，V2，V3的占空比。V0为零向量，Vref为参考向量。例如，在扇区1中，参考向量为：
Vref＝d1uab+d2uac+d0V0
＝d1(-uba)+d2(-uca)+d0V0.
电压矢量的占空比计算如下：
d1＝m sin(π/3-θi)
d2＝m sin(θi)
d0＝1-d1-d2
其中m为PI控制器产生的调制结果。
如表2所示，各扇区与计算的占空比；
表2各扇区预计算的占空比
Figure BDA0003427479710000091
X＝mcos(θi)，Y＝0.5X+m(sqrt(3)sin(θi)/4)，Z＝X-Y，θi＝θg-(扇区-1)π/3+π/6。θg为锁相环计算得到的相位。
由于在一个谐振周期内的三角函数计算耗费大量芯片资源，因此简化计算矢量的占空比，以避免超出控制周期；
利用所述参考矢量驱动PWM发生器，生成PWM信号，控制所述三相矩阵变换器中6个双向开关的开通关断，输出与所述设定负载电压对应的目标高频电压。
利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
步骤S303：利用所述三相矩阵变换器接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
如表3所示，通过调制处理三相矩阵变换器开关状态，即输出所需高频电压；
所述矩阵变化器开通S1，S4，关断开关S2，S3，S5，S6，即可输出电压uab；
所述矩阵变化器开通S2，S3，关断开关S1，S4，S5，S6，即可输出电压uba；
表3：各电压矢量所对应的开关状态
Figure BDA0003427479710000101
所述三相矩阵变换器接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
如图6所示，电源开关的矢量排序，展示第一扇区直接负载电压控制的矢量布置。在谐振周期的前半部分，两个电压矢量布置在一个谐振周期的开始处，由三个零电压矢量得到一个零电压矢量，以保证开关状态数较低。最后，其他负矢量和零矢量构成谐振周期的另一半。
如果用S1，S2……S6来表示每个双向开关的开通或者关断，那么发射端电压为：
UTX＝[S1-S2 S3-S4 S5-S6][UA UB UC]T
其中1和0分别代表双向开关的开通和关断状态，那么发射端电流也可以表示为：
iTX＝[S1 S2 S3][iiA iiB iiC]T
步骤S304：利用所述高频电压激励所述发射端产生高频磁场；
步骤S305：利用所述高频磁场对所述接收端作用，耦合产生电流，实现无线电能传输。
本实施例所提供的无线电能传输***利用矩阵变换的方式消除了电解电容不稳定的缺点，增强了***功率密度，通过控制所述矩阵处理器中双向开关的开通关断，输出不同频率的高频电压，实现了高功率级的应用，通过数字信号处理器中比例积分控制器对设定负载电压与实际负载电压计算生成参考向量，实现直接控制负载电压、负载电流的能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种无线电能传输***以及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种无线电能传输***，其特征在于，包括：
三相交流输入端、三相矩阵变换器、发射端、接收端、数字信号处理器；
所述三相交流输入端，用于将对电网电压滤波后得到的输入电压传输至所述三相矩阵变换器；
所述数字信号处理器，用于检测电网电压相位值后对设定负载电压与实际负载电压计算调制，产生PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
所述三相矩阵变换器，用于接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
所述发射端，用于在所述高频电压激励下产生高频磁场；
所述接收端，用于在所述高频磁场作用下产生电流。
2.如权利要求1所述的一种无线电能传输***，其特征在于，所述三相矩阵变换器包括：
6个双向开关，其中，每两个所述双向开关设置于所述三相矩阵变换器的同一桥臂上，每个双向开关包括两个MOSFET。
3.如权利要求2所述的一种无线电能传输***，其特征在于，所述数字信号处理器包括：
比例积分控制器、数字锁相环、PWM发生器；
所述比例积分控制器，用于将设定负载电压与实际负载电压的差值作为误差生成参考向量；
所述数字锁相环，用于检测所述电网电压相位值并根据所述相位值在预先定义的6个扇区内选择目标扇区与所述目标扇区对应的有效电压矢量，以便利用空间矢量调制方法合成所述参考向量，得到参考矢量；
其中，每个扇区包括6个有效电压矢量与3个零电压矢量；
所述PWM发生器，用于基于所述参考矢量的驱动，生成PWM信号，控制所述三相矩阵变换器中6个双向开关的开通关断，输出与所述设定负载电压对应的目标高频电压。
4.如权利要求1所述的一种无线电能传输***，其特征在于，所述三相电源输入端包括：
三相电源输入与输入滤波器；
所述三相电源输入，用于对所述无线电能传输***提供电源；
所述输入滤波器，用于对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到特定频率的电源信号。
5.如权利要求1所述的一种无线电能传输***，其特征在于，所述发射端包括：
发射端补偿电容CT、发射端补偿电感Lf1、发射端发射线圈LT。
6.如权利要求1所述的一种无线电能传输***，其特征在于，所述接收端包括：
接收端补偿电容CR、接收端补偿电感Lf2、接收端接收线圈LR。
7.如权利要求6所述的一种无线电能传输***，其特征在于，所述接收端包括：
二极管整流桥，用于稳定所述接收端直流电压。
8.一种无线电能传输方法，其特征在于，包括：
利用所述三相交流输入端提供输入电压至所述三相矩阵变换器；
利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对设定负载电压与实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器；
利用所述三相矩阵变换器接收所述PWM信号及所述输入电压，根据所述PWM信号控制所述三相矩阵变换器中所述双向开关的开通关断，输出高频电压；
利用所述高频电压激励发射端产生高频磁场；
利用所述高频磁场对所述接收端作用，耦合产生电流，实现无线电能传输。
9.如权利要求8所述的一种无线电能传输方法，其特征在于，所述三相矩阵变换器包括：
6个双向开关，其中，每两个所述双向开关设置于所述三相矩阵变换器的同一桥臂上，每个双向开关包括两个MOSFET。
10.如权利要求8所述的一种无线电能传输方法，其特征在于，所述利用所述数字信号处理器检测所述电网电压相位值后对实际负载电压计算调制，得到PWM信号，传输所述PWM信号至所述三相矩阵变换器包括：
其中所述数字信号处理器，包括比例积分控制器、数字锁相环与PWM发生器；
利用所述比例积分控制器，将设定负载电压与实际负载电压的差值作为误差生成参考向量；
利用所述数字锁相环，检测所述电网电压相位值并根据所述相位值在预先定义的6个扇区内选择目标扇区与所述目标扇区对应的有效电压矢量，以便利用空间矢量调制方法合成所述参考向量，得到参考矢量；
利用所述参考矢量驱动PWM发生器，生成PWM信号，控制所述三相矩阵变换器中6个双向开关的开通关断，输出与所述设定负载电压对应的目标高频电压。
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