CN114448107A - 一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，该装置由传统无线电能传输装置改进得到，并由三部分组成；钳位电路工作时基于其设定的恒压特性通过互感实现发射电路的恒流特性，进而实现接收电路的恒流特性；钳位电路关断时基于发射电路设定的恒压特性，通过互感实现接收电路的恒压特性。传统恒压式或恒流式无线电能传输装置仅考虑距离一定时的无线电能传输，未能做到距离可变的真正意义上的恒压或恒流传输。本发明在一二次侧线圈距离变化的情况下通过控制钳位电路和发射电路不仅可以实现接收回路的恒压恒流模式可切换的输出，也可以真正意义上的实现一定范围内的距离无关的无线电能传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别是指一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transmission,WPT)，是指通过发射端将电能转换成其他形式的能量(如电磁波、机械波等)，再由接收端将该能量收集并转换成电能的，以实现一定距离的无线电能传输的方式。传统的有线供电方式中存在大量复杂的电气接线，尤其在墙体、水下及生物体等施工难度大及高度灵活设备充电的场合，无线电能传输方式的优势显得尤为突出。此外，无线电能传输在减少机械开关操作并提高供电可靠性，减少物理耗材和施工周期等方面都有着显著的优点。
伴随着新能源技术的发展，负载的精密程度越来越高，所要求的充电条件也日趋严格，基于负载无关的恒压式和恒流式输出的无线电能传输方式应运而生。由于无线电能传输***的磁路结构存在漏感大，耦合系数低的问题，往往需要采用谐振补偿网络来补偿***的漏感和励磁电感，从而有效提高有功功率的容量并实现高效率的电能传输。同时，当***负载变化时，传统的谐振补偿网络无法同时实现负载恒流或恒压输出，往往仅针对一种恒压模式或者恒流模式设计，无法做到模式可切换。此外，随着现代科技发展，传统无线电能传输的研究无法真正摆脱位置固定的局限性，不能有效发挥无线连接自身的位置可变属性，在距离变化情况下已有研究的电路结构的恒压或恒流输出均会受到影响，为此探究距离可变的恒压恒流特性将会实现真正意义上的恒压或恒流输出，可以为无人机及电车等设备在工作过程中稳定供电提供新的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，增加钳位电路，能够可靠的提供负载无关输出特性。
本发明采用如下技术方案：
一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，包括发射电路和接收电路，其特征在于：还包括钳位电路，其包含钳位限压电路、滤波电容CF2和钳位补偿单元，钳位限压电路设有两桥路且经与滤波电容并联后与发射电路的直流电源相连；该钳位补偿单元的两端分别与钳位限压电路的两条桥路的中点相连；发射电路与接收电路的距离变化时，两者之间的互感值变化，通过监测接收电路的电流幅值或电压幅值计算互感值，进而通过闭环控制对钳位限压电路或发射电路做移相控制来改变钳位电压或发射电压，实现距离鲁棒性的恒流输出或恒压输出。
所述钳位补偿单元包括发生串联谐振的电感L3和电容C3，且满足：
ω为固定工作频率。所述桥路包括串联的二极管和开关管，两条桥路的两端连接滤波电容CF2。
所述钳位电路工作时，所述发射电路的恒定电流由所述发射电路与所述钳位电路的互感及所述钳位电路的电压值确定；所述接收电路的恒定电流由所述发射电路与所述接收电路的互感及所述发射电路的电流值确定。
所述发射电路包括高频逆变器及原边补偿单元，该原边补偿单元包括发生串联谐振的电感L1和电容C1，该高频逆变器的一桥臂中点和电容C1一端相连，电容C1的另一端与电感L1相连，电感L1和高频逆变器的另一桥臂中点相连。所述串联谐振的电感L1和电容C1满足：
ω为固定工作频率。
所述接收电路包括副边补偿单元，全桥整流电路，滤波电容CF1及负载；该副边补偿单元设有电感L2、电容C2和补偿电感LC，该电感L2与电容C2并联，该补偿电感LC与电容C2串联并谐振，该副边补偿单元的两端分别连接全桥整流电路的两条桥臂的中点，后经并联滤波电容CF1后连接负载RL。所述电感L2、所述补偿电感LC和所述电容C2满足：
ω为固定工作频率。
恒流模式下，原边电感和钳位电感的互感M13满足
恒定，其中I1为原边补偿单元的电流，U3为钳位电路两端的电压；原边电感和副边电感的互感M12满足
使得输出电流IL恒定；***互感M12的值往往不能直接监测，通过监测IL的值可以间接检测出M12，钳位电路的电压U3可通过两个开关管的移相控制调节钳位限压电路的占空比间接影响IL的输出，来实现一定范围内的距离鲁棒性恒流输出；
所述恒压模式下，钳位电路可通过移相控制开关管的相角完全不导通来实现关断，此时仅有发射电路和接收电路工作原边电感和副边电感的互感M12满足
恒定，其中I2为副边耦合电感L2的电流，满足
使得输出电压U0恒定；***互感M12的值往往不能直接监测，通过监测U2值可以间接检测出M12，发射电路的电压U1可通过移相控制高频逆变器的四个开关管间接控制U2的输出，来实现一定范围内的距离鲁棒性恒压输出。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明基于传统双线圈无线电能传输装置，能够可靠的提供负载无关输出特性。
2.本发明由于钳位电路的电压可控性，可以实现对发射电路和接收电路的间接控制，进而可以通过调节钳位电路电压实现不同场景下的恒流输出。
3.本发明由于发射电路的电压可控性，可以实现对接收电路的间接控制，进而通过调节发射电路电压实现不同场景下的恒压输出。
4.本发明的钳位电路及发射电路采用闭环控制，在不同的工作模式下，通过采集发射电路和接收电路的电流大小和电压大小，可以分析比较出发射电路和接收电路的互感值，在不同工作模态下，通过调节开关管来实现原副边距离鲁棒性的恒压恒流输出。
附图说明
图1为一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能距离鲁棒性传输装置原理图；
图2为装置在恒流模式下的控制原理图；
图3(a)为恒流模式下装置在k12＝0.3,k13＝0.2,RL＝10Ω时的仿真电流输出波形；
图3(b)为恒流模式下装置在k12＝0.3,k13＝0.2,RL＝20Ω时的仿真电流输出波形；
图3(c)为恒流模式下装置在k12＝0.3,k13＝0.2,RL＝50Ω时的仿真电流输出波形；
图4(a)为恒流模式下装置在k12＝0.35,k13＝0.2,RL＝50Ω时的仿真电流输出波形；
图4(b)为恒流模式下装置在k12＝0.4,k13＝0.2,RL＝50Ω时的仿真电流输出波形；
图5为装置在恒压模式下的控制原理图；
图6(a)为恒压模式下装置在k12＝0.3,RL＝50Ω时的仿真电压输出波形；
图6(b)为恒压模式下装置在k12＝0.3,RL＝100Ω时的仿真电压输出波形；
图6(c)为恒压模式下装置在k12＝0.3,RL＝150Ω时的仿真电压输出波形；
图7(a)为恒压模式下装置在k12＝0.25,RL＝150Ω时的仿真电压输出波形；
图7(b)为恒压模式下装置在k12＝0.2,RL＝150Ω时的仿真电压输出波形。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
参见图1，本发明提出一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，包括发射电路、接收电路和钳位电路。
其中，发射电路包括高频逆变器及原边补偿单元，该原边补偿单元包括电感L1和电容C1，且满足在***的固定工作频率ω下串联谐振关系
高频逆变器设有两桥臂，一条桥臂包括串联的开关管Q1和开关管Q3，另一条桥臂包括串联的开关管Q2和开关管Q4。该高频逆变器的一桥臂中点和电容C1一端相连，电容C1的另一端与电感L1相连，电感L1和高频逆变器的另一桥臂中点相连。
接收电路包括副边补偿单元，全桥整流电路，滤波电容CF1及负载；该副边补偿单元设有电感L2、电容C2和补偿电感LC，该电感L2与电容C2并联，该补偿电感LC与电容C2串联并谐振。电感L2、补偿电感LC和电容C2满足在***的固定工作频率ω下串联谐振关系：
副边补偿单元的两端分别连接全桥整流电路的两条桥臂的中点，后经并联滤波电容CF1后连接负载RL。
全桥整流电路包括两桥路，其一条桥路由二极管D1,D3同向串联，另一条桥路由二极管D2,D4同向串联，滤波电容CF1两端与全桥整流电路两端并联后连接负载RL。
钳位电路包含钳位限压电路、滤波电容CF2和钳位补偿单元，钳位限压电路设有两桥路且经与滤波电容CF2并联后与发射电路的直流电源相连。一条桥路包括串联的二极管D5和开关管Q5，另一条桥路包括串联的二极管D6和开关管Q6，两条桥路的两端连接滤波电容CF2。
钳位补偿单元包括发生串联谐振的电感L3和电容C3，且满足在***的固定工作频率ω下串联谐振关系：
该钳位补偿单元的两端分别与钳位限压电路的两条桥路的中点相连。
本发明中，钳位电路工作时，发射电路的恒定电流由发射电路与钳位电路的互感及钳位电路的电压值确定,发射电路的恒定电流
发射电路与钳位电路的互感M13及钳位电路的电压值
满足
j为虚数符号。接收电路的恒定电流由发射电路与接收电路的互感及发射电路的电流值确定,接收电路的恒定电流
发射电路与接收电路的互感M12及发射电路的电流值
满足
接收电路的输出电流为
发射电路与接收电路的距离变化时，两者之间的互感值变化，通过监测接收电路的电流幅值或电压幅值计算互感值，进而通过闭环控制对钳位限压电路或发射电路做移相控制来改变钳位电压或发射电压，实现距离鲁棒性的恒流输出或恒压输出。
本发明恒流控制方式如下：
该装置在恒流模式下的控制原理图参见图2。
高频逆变器的控制方式为：在开关管Q1,Q4的栅极上输入50％占空比且频率为***工作频率的驱动信号；在开关管Q2,Q3的栅极上输入50％占空比且频率为***工作频率,但启动延迟于开关管Q1,Q4半个周期的驱动信号，以实现高频逆变电路，且满足傅里叶分解可得出
其中D1为发射电路中输入高频逆变器的PWM波的占空比，特别地，当
由副边补偿单元可知，接收电路的负载RL流经的电流I0可由如下公式计算得出：
其中M12为原副边的互感值，当要求接收电路输出恒定电流，则M12和I1为定值。
钳位限压电路的控制方式为：在开关管Q5的栅极上输入经控制回路设定的50％占空比且频率为***工作频率的驱动信号；在开关管Q6的栅极上输入经控制回路设定的50％占空比且频率为***工作频率但启动延迟于开关管Q5半个周期的驱动信号。两个开关管Q5，Q6通过移相控制钳位电路的方波占空比，以实现钳位电路的可控恒压输出，由傅里叶分解可得出基波分量的电压幅值
其中D3为钳位限压电路的开关管移相后产生方波的占空比。由于钳位限压电路的电感L3和发射电路的电感L1互相耦合，则满足
则输出电流可以表示为
且该电路要求钳位电路和接收电路的电感之间不发生耦合，即没有互感电压。在发射电路和接收电路距离不变时M12不会发生变化，此时整个装置实现负载无关的恒流输出特性。
而当发射电路和接收电路之间的距离发生变化时，一定范围内距离鲁棒性的恒流输出***具体控制方式为：利用电流监测模块来监测接收电路的输出I0，进而可以测算互感值
为保持***的恒流输出特性，将经过计算后的PWM波信号输入到钳位限压电路的开关管Q5的栅极上，输入延迟半个周期的PWM波信号在开关管Q6的栅极上，进而通过移相调节钳位限压电路的输出电压U3使得接收电路的输出电流I0保持恒定，实现闭环控制。
本实例中参数设计如下：
1)选取直流电压源输入电压48V；
2)选取开关管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6的额定工作频率85kHz；
3)选取参与谐振的三个回路电容C1,C2,C3为21.6nF，选取参与谐振的三个回路电感L1,L2,L3,LC为162.4uH，选取滤波电容CF1,CF2为10uF；
4)钳位限压电路和发射电路的耦合系数k13为0.2；
参见图3及图4中仿真结果，可得出如下结论：
1)由图3(a)，图3(b)，图3(c)可知，分别在其他条件不变时，改变负载RL为10Ω，20Ω，50Ω，实现了负载无关的恒流输出；
2)由图3(c)，图4(a)，图4(b)可知，分别在发射电路和接收电路距离变化，即耦合系数k12变化时，通过调节钳位电路的开关管相位，实现距离鲁棒性的恒流输出。
本发明的恒压控制方式具体如下：
该装置在恒压模式下的控制原理图参见图5。
钳位限压电路的控制方式为：在开关管Q5，Q6的栅极上输入移相后的信号，使钳位电路关断，此时该电路不工作。
高频逆变器的控制方式为：在开关管Q1,Q4的栅极上输入占空比50％且频率为***工作频率的驱动信号；在开关管Q2,Q3的栅极上输入同样多占空比50％且频率为***工作频率但启动延迟于开关管Q1,Q4半个周期的驱动信号，以实现高频逆变电路。当需要调节高频逆变器的输出电压时，可同时对开关管Q2，Q4做移相控制，且满足傅里叶分解可得出
其中D1为发射电路中输入高频逆变器移相后的占空比。
由原边补偿单元可知，发射电路的电压U1一定时，副边耦合电感L2流经的电流I2可由如下计算公式得出：
由副边补偿单元可知，接收电路的负载RL两端的输出电压U0可由如下公式计算得出：
其中D1为高频逆变电路输出的方波占空比，在发射电路和接收电路距离不变时M12不会发生变化，此时整个装置实现负载无关的恒压输出特性。
而当发射电路和接收电路之间的距离发生变化时，一定范围内距离鲁棒性的恒压输出***具体控制方式为：利用电压监测模块来监测接收电路的输出U0，进而可以测算互感值
为保持***的恒压输出特性，对开关管Q2,Q4进行移相控制，将经过计算后的移相PWM波信号输入到发射电路高频逆变器中的开关管Q2的栅极上，输入延迟半个周期的PWM波信号在开关管Q4的栅极上，进而调节高频逆变器电路的输出电压U1保持恒定，实现闭环控制。
本实例中参数设计如下：
1)选取直流电压源输入电压48V；
2)选取开关管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6的额定工作频率85kHz；
3)选取参与谐振的三个回路电容C1,C2,C3为21.6nF，选取参与谐振的三个回路电感L1,L2,L3,LC为162.4uH，选取滤波电容CF1,CF2为10uF；
参见图6及图7中仿真结果，可得出如下结论：
1)由图6(a)，图6(b)，图6(c)可知，分别在其他条件不变时，改变负载RL为50Ω，100Ω，150Ω，实现了负载无关的恒压输出；
2)由图6(c)，图7(a)，图7(b)可知，分别在发射电路和接收电路距离变化，即耦合系数k12变化时，通过调节发射电路的开关管Q2,Q4相位，实现距离鲁棒性的恒压输出；
由上可知，本发明在恒流模式下，最后的输出电流恒定，且可以实现负载无关的距离鲁棒性恒流输出；在恒压模式下，最后的输出电压恒定，且可以实现负载无关的距离鲁棒性恒压输出。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，包括发射电路和接收电路，其特征在于：还包括钳位电路，其包含钳位限压电路、滤波电容CF2和钳位补偿单元，钳位限压电路设有两桥路且经与滤波电容并联后与发射电路的直流电源相连；该钳位补偿单元的两端分别与钳位限压电路的两条桥路的中点相连；发射电路与接收电路的距离变化时，两者之间的互感值变化，通过监测接收电路的电流幅值或电压幅值计算互感值，进而通过闭环控制对钳位限压电路或发射电路做移相控制来改变钳位电压或发射电压，实现距离鲁棒性的恒流输出或恒压输出。
2.如权利要求1所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述钳位补偿单元包括发生串联谐振的电感L3和电容C3，且满足：
ω为固定工作频率。
3.如权利要求1所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述桥路包括串联的二极管和开关管，两条桥路的两端连接滤波电容CF2。
4.如权利要求1所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述钳位电路工作时，所述发射电路的恒定电流由所述发射电路与所述钳位电路的互感及所述钳位电路的电压值确定；所述接收电路的恒定电流由所述发射电路与所述接收电路的互感及所述发射电路的电流值确定。
5.如权利要求4所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述发射电路的恒定电流
所述发射电路与所述钳位电路的互感M13及所述钳位电路的电压值
满足
j为虚数符号。
6.如权利要求4所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述接收电路的恒定电流
所述发射电路与所述接收电路的互感M12及所述发射电路的电流值
满足
C3为钳位补偿单元的电容，所述接收电路的输出电流为
7.如权利要求1所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述发射电路包括高频逆变器及原边补偿单元，该原边补偿单元包括发生串联谐振的电感L1和电容C1，该高频逆变器的一桥臂中点和电容C1一端相连，电容C1的另一端与电感L1相连，电感L1和高频逆变器的另一桥臂中点相连。
8.如权利要求7所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述串联谐振的电感L1和电容C1满足：
ω为固定工作频率。
9.如权利要求1所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述接收电路包括副边补偿单元，全桥整流电路，滤波电容CF1及负载；该副边补偿单元设有电感L2、电容C2和补偿电感LC，该电感L2与电容C2并联，该补偿电感LC与电容C2串联并谐振，该副边补偿单元的两端分别连接全桥整流电路的两条桥臂的中点，后经并联滤波电容CF1后连接负载RL。
10.如权利要求9所述的一种基于三线圈的恒压恒流式无线电能传输装置，其特征在于：所述电感L2、所述补偿电感LC和所述电容C2满足：
ω为固定工作频率。
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