基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統及控制方法
2023-07-08 22:35:51 2
基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統及控制方法
【專利摘要】本發明公開一種基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統及控制方法，系統包括高頻逆變器、高頻諧振器、電場耦合機構以及電能變換環節，其特徵在於：高頻逆變器為雙E類放大高頻逆變器，該高頻逆變器與高頻諧振器之間還設置有高頻變壓器，高頻諧振器上還連接有控制器，在控制器的輸出端還連接有電感補償調諧模塊和驅動電路。其顯著效果是：本發明較好解決了抬高耦合機構兩端高頻電壓，增強電場強度，提升傳輸距離以及如何降低高頻開關管兩端電壓以滿足現階段高頻電力電子器件需求這一相互制約問題，提高了系統的功率容量，降低了開關管的電壓，減少了開關損耗，提高了系統的自適應能力。
【專利說明】基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電場I禹合型無線電能傳輸(Electrical-field coupled powertransfer)技術,簡稱ECPT技術,尤其涉及一種基於新型拓撲的電場稱合型無線能量傳輸系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]近年來，在無線電能傳輸【技術領域】，基於電場耦合技術的無線電能傳輸技術因其獨特的優勢得到了國內外許多的研究者的重視。從目前取得的研究成果可以看出，ECPT系統的耦合電極簡易輕薄並且形狀不受限制，系統具有較好的柔韌性並且整體的成本低；拾取電極甚至可以設計成空腔結構，副邊相關的集成電路也可以包圍在內部，拾取電路的設計形式多樣性較強；在工作狀態中電場耦合結構的絕大部分電通量分布於電極之間，對周圍環境的電磁幹擾很小；尤其是當電場耦合機構之間或周圍存在金屬導體時，不會引起導體產生渦流損耗。基於以上的特點，利用電場耦合實現電能無線傳輸在一些有特殊要求的領域具有自己的優勢。
[0003]縱觀目前的ECPT系統，均存在傳輸功率低、傳輸距離小，傳輸系統不穩定等共性的問題。ECPT系統要提升傳輸功率與效率需採用提高耦合機構兩端驅動交流電的電壓與頻率，降低耦合機構高頻阻抗的辦法，然而卻存在抬高耦合機構兩端高頻電壓用以增強電場強度以及如何降低高頻開關管兩端電壓以滿足現階段高頻電力電子器件需求這一相互制約的問題，亟待從電能變換拓撲結構根本上解決，達到兩者需求矛盾的統一。並且ECPT系統能量發射電極與拾取電極的相對移動會改變電極的耦合係數。而耦合係數的時變會導致ECPT產生固有頻率漂移的問題，無法保證系統穩定工作。
【發明內容】
[0004]為了克服上述缺陷，本發明首先提供一種基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，改變逆變電路的拓撲結構，提出一種融合高頻變壓器的ECPT系統的電能變換拓撲，進一步完善拓撲結構，從而解決抬高耦合機構兩端高頻電壓，增強電場強度，提升傳輸距離以及如何降低高頻開關管兩端電壓以滿足現階段高頻電力電子器件需求這一相互制約問題，同時增設相應的電感補償調諧模塊，以解決耦合係數的時變導致ECPT產生固有頻率漂移的問題，保證系統穩定工作。
[0005]為了達到上述目的，本發明的具體技術方案如下:
[0006]一種基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，包括高頻逆變器、高頻諧振器、電場耦合機構以及電能變換環節，所述高頻逆變器從電源電路中獲取電能，該電能經過高頻逆變和高頻諧振後由所述電場耦合機構實現無線電能傳輸，所述電能變換環節從所述電場耦合機構中獲取能量並實現對負載供電，其關鍵在於:
[0007]所述高頻逆變器為雙E類放大高頻逆變器，該高頻逆變器與高頻諧振器之間還設置有高頻變壓器，所述高頻諧振器上還連接有控制器，該控制器從高頻諧振器中獲取諧振電流和諧振電壓，在控制器的輸出端還連接有電感補償調諧模塊和驅動電路，控制器根據高頻諧振器中的諧振電流和諧振電壓改變所述電感補償調諧模塊輸出的電感值，控制器還通過所述驅動電路輸出PWM信號控制所述高頻逆變器工作。
[0008]通過採用雙E類放大高頻逆變器，提高了系統的功率容量，降低開關管的電壓，減少了開關損耗，通過高頻變壓器將高頻逆變器輸出的正弦波形提升為高壓小電流狀態，使得系統單位面積的能量傳輸密度大大增強，從而提升系統傳輸能力，減小了諧振電感體積。高壓的高頻交流電經過高頻諧振器進行調諧，最後加載到電場耦合極板上，通過電場耦合極板產生交互電場，在交互電場作用下產生位移電流「流過」極板實現能量傳輸，能量接收變換環節可以將拾取電能根據用電設備的需要，經過同步整流後為不同的用電設備提供合適的直流電。當電場耦合機構中的耦合極板發生移位時，控制器可以通過調整電感補償調諧模塊的輸出電感值保證系統始終處於穩定狀態，同時保證高頻逆變器中的開關管處於軟開關狀態。相對於常規的電場耦合型無線電能傳輸系統而言，本發明系統拓撲結構新穎、功率容量大，無線電能傳輸效率高，自適應能力強。
[0009]作為進一步描述，所述高頻逆變器主要由扼流環L1、扼流環L2、開關管Q1、開關管Q2>電容C1和電容C2組成，其中扼流環L1的一端與電源電路的正極連接，扼流環L1的另一端連接在開關管Q1的漏極上，開關管Q1的源極接電源電路的負極，開關管Q1的柵極接所述驅動電路的第一輸出端上，在開關管Q1的漏極和源極之間連接電容C1，扼流環L2的一端與電源電路的正極連接，扼流環L2的另一端連接在開關管Q2的漏極上，開關管Q2的源極接電源電路的負極，開關管Q2的柵極接所述驅動電路的第二輸出端上，在開關管Q2的漏極和源極之間連接電容C2,開關管Q1和開關管Q2的漏極分別作為所述高頻逆變器的輸出端。
[0010]本方案中的高頻逆變器採用兩組扼流環、開關管組成對稱的雙E類放大環節，兩個開關管在控制器的控制下交互式的通斷，從而在雙E類放大器開關管的兩端形成一個類似正弦波的波形，使其可以通過後端的高頻變壓器。
[0011]作為一種諧振方式，所述高頻諧振器設置有諧振電感L和諧振電容C3，該諧振電感L和諧振電容C3串接在高頻變壓器的兩個輸出端上，所述諧振電容C3的一端經過電感補償調諧模塊後與電場稱合機構中的第一發射電極板相連，諧振電容C3的另一端與電場稱合機構中的第二發射電極板相連。
[0012]作為優選，所述控制器從高頻諧振器中獲取的諧振電流為流過所述電感補償調諧模塊中的電流，控制器從高頻諧振器中獲取的諧振電壓為諧振電容C3兩端的電壓差。
[0013]為了減少高頻變壓器的鐵芯損耗，所述高頻變壓器為E-E型鐵氧體磁芯製成的殼式變壓器。
[0014]為了方便的實現電感補償，所述電感補償調諧模塊包括第一線圈和第二線圈，所述第一線圈繞制在外支架上，所述第二線圈繞制在內支架上，所述外支架和內支架通過轉軸活動連接在一起，外支架中的第一線圈和內支架中的第二線圈通過轉軸上的導電環和外支架中的電刷實現電連接，在轉軸的一端安裝有步進電機，該步進電機用於帶動所述內支架在所述外支架內轉動。
[0015]為了便於接線，在所述外支架上還連接有兩個接線抽頭。
[0016]為了便於電感輸出參數的控制，所述第一線圈和第二線圈的匝數相同。
[0017]結合電路結構，本發明還提供了 一種基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統的控制方法，該方法可以簡化控制流程，維護了系統穩定，提高系統的自適應能力，具體如下:
[0018]首先，選定負載和電能變換環節總的等效阻值為&，系統諧振頻率為Oci,電場耦合機構中第一發射電極板與第一接收電極板之間以及第二發射電極板與第二接收電極板之間的等效電容均為Cs，當控制器檢測到高頻諧振器中的諧振電流為Ia，諧振電壓為Ue3時，—I U —IR
控制器控制所述電感補償調諧模塊輸出的等效電感值為
【權利要求】
1.一種基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，包括高頻逆變器(2)、高頻諧振器(4)、電場耦合機構(5 )以及電能變換環節(6 )，所述高頻逆變器(2 )從電源電路(I)中獲取電能，該電能經過高頻逆變和高頻諧振後由所述電場耦合機構(5 )實現無線電能傳輸，所述電能變換環節(6)從所述電場耦合機構(5)中獲取能量並實現對負載(7)供電，其特徵在於: 所述高頻逆變器(2)為雙E類放大高頻逆變器，該高頻逆變器(2)與高頻諧振器(4)之間還設置有高頻變壓器(3 )，所述高頻諧振器(4 )上還連接有控制器(8 )，該控制器(8 )從高頻諧振器(4)中獲取諧振電流和諧振電壓，在控制器(8)的輸出端連接有電感補償調諧模塊(9)和驅動電路(10)，控制器(8)根據高頻諧振器(4)中的諧振電流和諧振電壓改變所述電感補償調諧模塊(9)輸出的電感值，控制器(8)還通過所述驅動電路(10)輸出PWM信號控制所述高頻逆變器(2)工作。
2.根據權利要求1所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:所述高頻逆變器(2)主要由扼流環L1、扼流環L2、開關管Q1、開關管Q2、電容C1和電容C2組成，其中扼流環L1的一端與電源電路(I)的正極連接，扼流環L1的另一端連接在開關管％的漏極上，開關管Q1的源極接電源電路(I)的負極，開關管Q1的柵極接所述驅動電路(10)的第一輸出端上，在開關管Q1的漏極和源極之間連接電容C1，扼流環L2的一端與電源電路(O的正極連接，扼流環L2的另一端連接在開關管Q2的漏極上，開關管Q2的源極接電源電路(I)的負極，開關管Q2的柵極接所述驅動電路(10)的第二輸出端上，在開關管Q2的漏極和源極之間連接電容C2,開關管Q1和開關管Q2的漏極分別作為所述高頻逆變器(2)的輸出端。
3.根據權利要求1所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:所述高頻諧振器(4)設置有諧振電感L和諧振電容C3，該諧振電感L和諧振電容C3串接在高頻變壓器(3)的兩個輸出端上，所述諧振電容C3的一端經過電感補償調諧模塊(9)後與電場稱合機構(5)中的第一發射電極板相連,諧振電容C3的另一端與電場稱合機構(5)中的第二發射電極板相連。`
4.根據權利要求3所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:所述控制器(8 )從高頻諧振器(4 )中獲取的諧振電流為流過所述電感補償調諧模塊(9 )中的電流，控制器(8)從高頻諧振器(4)中獲取的諧振電壓為諧振電容C3兩端的電壓差。
5.根據權利要求1-4任意一項所述的基於新型拓撲的電場稱合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:所述高頻變壓器(3)為E-E型鐵氧體磁芯製成的殼式變壓器。
6.根據權利要求1或3所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:所述電感補償調諧模塊(9)包括第一線圈和第二線圈，所述第一線圈繞制在外支架上，所述第二線圈繞制在內支架上，所述外支架和內支架通過轉軸活動連接在一起，外支架中的第一線圈和內支架中的第二線圈通過轉軸上的導電環和外支架中的電刷實現電連接，在轉軸的一端安裝有步進電機，該步進電機用於帶動所述內支架在所述外支架內轉動。
7.根據權利要求6所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:在所述外支架上還連接有兩個接線抽頭。
8.根據權利要求6所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統，其特徵在於:所述第一線圈和第二線圈的匝數相同。
9.一種如權利要求3所述的基於新型拓撲的電場稱合型無線電能傳輸系統的控制方法，其特徵在於:選定負載(7)和電能變換環節(6)總的等效阻值為仏，系統諧振頻率為ω0^電場稱合機構(5)中第一發射電極板與第一接收電極板之間以及第二發射電極板與第二接收電極板之間的等效電容均為Cs，當控制器(8)檢測到高頻諧振器(4)中的諧振電流為Ia，諧振電壓為Uc3時，控制器(8)控制所述電感補償調諧模塊(9)輸出的等效電感值為
10.根據權利要求9所述的基於新型拓撲的電場耦合型無線電能傳輸系統的控制方法，其特徵在於:所述電感補償調諧模塊(9)包括第一線圈和第二線圈，所述第一線圈繞制在外支架上，所述第二線圈繞制在內支架上，所述外支架和內支架通過轉軸活動連接在一起，外支架中的第一線圈和內支架中的第二線圈通過轉軸上的導電環實現電連接，在轉軸的一端安裝有步進電機，該步進電機用於帶動所述內支架在所述外支架內轉動，設定第一線圈和第二線圈的匝數均為N，第二線圈所圍成的有效面積為S，第二線圈的磁鏈長度為1，當需要控制電感補償調諧模塊(9)輸出等效電感值為Lb時，控制器(8)控制步進電機轉動角度Θ，使其滿足:
【文檔編號】H02M7/48GK103560593SQ201310547499
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月7日 優先權日:2013年11月7日
【發明者】蘇玉剛, 唐春森, 徐健, 戴欣, 孫躍, 王智慧, 葉兆虹 申請人:重慶大學