一种无线能量传输系统及其控制方法

摘要

本发明涉及一种无线能量传输系统及其控制方法，所述系统包括：直流电源、H桥逆变器、第一补偿电容、第二补偿电容、送能线圈、整流桥、DC/DC变换器和储能单元；所述直流电源接入所述H桥逆变器的直流侧，H桥逆变器的交流侧经过所述第一补偿电容与所述送能线圈的原边线圈连接；所述送能线圈的副边线圈经过所述第二补偿电容与整流桥的交流侧连接；所述整流桥的直流侧与DC/DC变换器的输入端连接；所述DC/DC变换器的输出端分别接有储能单元和负载。本发明提供的技术方案，提高了无线能量传输系统的绝缘等级，降低了无线能量传输系统的伏安等级，适用于高压应用场合，保证了无线能量传输系统效率的最大化。

权利要求

1.一种无线能量传输系统，其特征在于，所述系统包括：直流电源、H桥逆变器、第一补偿电容、第二补偿电容、送能线圈、整流桥、DC/DC变换器和储能单元；

所述直流电源接入所述H桥逆变器的直流侧，H桥逆变器的交流侧经过所述第一补偿电容与所述送能线圈的原边线圈连接；

所述送能线圈的副边线圈经过所述第二补偿电容与整流桥的交流侧连接；

所述整流桥的直流侧与DC/DC变换器的输入端连接；

所述DC/DC变换器的输出端分别接有储能单元和负载。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述H桥逆变器由两个并联的桥臂组成，其中，桥臂由两个相互串联的开关器件组成。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述开关器件由半导体开关管与二极管反向并联组成。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述整流桥由两个并联的桥臂组成，其中，桥臂由两个相互串联的二极管组成。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的无线能量传输系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括：所述H桥逆变器将直流电源提供的电源电压转换为交流电压；

所述送能线圈将所述交流电压传送至所述整流桥的交流侧；

所述整流桥将接收的交流电压转换为用于给负载供电的直流电压，并将所述用于给负载供电的直流电压发送至所述DC/DC变换器的输入端；

所述DC/DC变换器利用接收的用于给负载供电的直流电压对负载供电或控制储能单元充放电。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述DC/DC变换器利用接收的用于给负载供电的直流电压对负载供电或控制储能单元充放电，包括：根据送能线圈中副边线圈的等效负载电阻调节DC/DC变换器的占空比；

利用DC/DC变换器的占空比和用于给负载供电的直流电压确定DC/DC变换器的输出直流电压；

利用所述DC/DC变换器的输出直流电压对负载供电或控制储能单元充放电。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据送能线圈中副边线圈的等效负载电阻调节DC/DC变换器的占空比，包括：按下式调节DC/DC变换器的占空比D：

上式中，RLeq为送能线圈中副边的等效负载电阻，V′为预设的DC/DC变换器的输出直流电压，Isamp为送能线圈中副边电流的幅值，D为DC/DC变换器的占空比。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，按下式确定送能线圈中副边的等效负载电阻RLeq：上式中，k为送能线圈中原边线圈和副边线圈之间的耦合系数，Rs为送能线圈中副边线圈的电阻，Qp为送能线圈中原边线圈的品质因数，Qs为送能线圈中副边线圈的品质因数。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用调节后的DC/DC变换器的占空比和用于给负载供电的直流电压获取DC/DC变换器的输出直流电压，包括：按下式确定DC/DC变换器的输出直流电压Vo,b：上式中，Vi,b为用于给负载供电的直流电压。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述DC/DC变换器的输出直流电压控制储能单元充放电，包括：当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率大于负载功率时，所述储能单元进行充电；

当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率小于负载功率时，所述储能单元进行放电；

当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率等于负载功率时，所述储能单元不充电也不放电。

说明书

一种无线能量传输系统及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种无线能量传输系统及其控制方法。

背景技术

[0002] 在柔性交流输电系统中，电压等级通常很高，这对电力电子开关器件驱动电路的绝缘等级提出了很高的要求，以确保安全性。通常，可以使用隔离变压器为这些驱动电路提供隔离的供电电源。但是，隔离变压器过于笨重，且增加了成本和安装难度。无线送能技术可以在两个没有直接接触的电路之间传输能量，使用无线能量传输系统可以通过足够的空气隔离获得较高的绝缘等级。因此，无线送能技术非常适合于为高压应用场合中电力电子开关器件的驱动电路提供能量。

[0003] 目前的无线能量传输系统，由于线圈之间距离较大，线圈通过磁场以弱耦合的形式互相影响，因此线圈漏感较大，使得电能传输过程中会产生很大的无功，降低了系统的伏安等级。另外无线能量传输系统自身的阻抗特性往往与负载阻抗不能匹配到最大效率点进行工作，影响了能量从电源侧向负载侧的输出能力。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种无线能量传输系统及其控制方案，提高了无线能量传输系统的绝缘等级，适用于高压应用场合，保证了无线能量传输系统效率的最大化。

[0005] 本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

[0006] 一种无线能量传输系统，其改进之处在于，所述系统包括：直流电源、H桥逆变器、第一补偿电容、第二补偿电容、送能线圈、整流桥、DC/DC变换器和储能单元；

[0007] 所述直流电源接入所述H桥逆变器的直流侧，H桥逆变器的交流侧经过所述第一补偿电容与所述送能线圈的原边线圈连接；

[0008] 所述送能线圈的副边线圈经过所述第二补偿电容与整流桥的交流侧连接；

[0009] 所述整流桥的直流侧与DC/DC变换器的输入端连接；

[0010] 所述DC/DC变换器的输出端分别接有储能单元和负载。

[0011] 优选的，所述H桥逆变器由两个并联的桥臂组成，其中，桥臂由两个相互串联的开关器件组成。

[0012] 进一步的，所述开关器件由半导体开关管与二极管反向并联组成。

[0013] 优选的，所述整流桥由两个并联的桥臂组成，其中，桥臂由两个相互串联的二极管组成。

[0014] 一种无线能量传输系统的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：

[0015] 所述H桥逆变器将直流电源提供的电源电压转换为交流电压；

[0016] 所述送能线圈将所述交流电压传送至所述整流桥的交流侧；

[0017] 所述整流桥将接收的交流电压转换为用于给负载供电的直流电压，并将所述用于给负载供电的直流电压发送至所述DC/DC变换器的输入端；

[0018] 所述DC/DC变换器利用接收的用于给负载供电的直流电压对负载供电或控制储能单元充放电。

[0019] 优选的，所述DC/DC变换器利用接收的用于给负载供电的直流电压对负载供电或控制储能单元充放电，包括：

[0020] 根据送能线圈中副边线圈的等效负载电阻调节DC/DC变换器的占空比；

[0021] 利用DC/DC变换器的占空比和用于给负载供电的直流电压确定DC/DC变换器的输出直流电压；

[0022] 利用所述DC/DC变换器的输出直流电压对负载供电或控制储能单元充放电。

[0023] 进一步的，所述根据送能线圈中副边线圈的等效负载电阻调节DC/DC变换器的占空比，包括：

[0024] 按下式调节DC/DC变换器的占空比D：

[0025]

[0026] 上式中，RLeq为送能线圈中副边的等效负载电阻，V′为预设的DC/DC变换器的输出直流电压，Isamp为送能线圈中副边电流的幅值，D为DC/DC变换器的占空比。

[0027] 具体的，按下式确定送能线圈中副边的等效负载电阻RLeq：

[0028]

[0029] 上式中，k为送能线圈中原边线圈和副边线圈之间的耦合系数，Rs为送能线圈中副边线圈的电阻，Qp为送能线圈中原边线圈的品质因数，Qs为送能线圈中副边线圈的品质因数。

[0030] 进一步的，所述利用调节后的DC/DC变换器的占空比和用于给负载供电的直流电压获取DC/DC变换器的输出直流电压，包括：

[0031] 按下式确定DC/DC变换器的输出直流电压Vo,b：

[0032]

[0033] 上式中，Vi,b为用于给负载供电的直流电压。

[0034] 进一步的，所述利用所述DC/DC变换器的输出直流电压控制储能单元充放电，包括：

[0035] 当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率大于负载功率时，所述储能单元进行充电；

[0036] 当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率小于负载功率时，所述储能单元进行放电；

[0037] 当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率等于负载功率时，所述储能单元不充电也不放电。

[0038] 与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

[0039] 本发明提供的技术方案，通过直流电源、H桥逆变器、第一补偿电容、第二补偿电容、送能线圈、整流桥、DC/DC变换器和储能单元构建的一种无线能量传输系统，提高了无线能量传输系统的绝缘等级，降低了无线能量传输系统的伏安等级，适用于高压应用场合，保证了无线能量传输系统效率的最大化。

附图说明

[0040] 图1是本发明实施例中一种无线能量传输系统的结构示意图；

[0041] 图2是本发明实施例中无线能量传输系统中DC/DC变换器的结构示意图；

[0042] 图3是本发明实施例中一种无线能量传输系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

[0043] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0044] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0045] 本发明提供了一种无线能量传输系统，包括：

[0046] 直流电源、H桥逆变器、第一补偿电容、第二补偿电容、送能线圈、整流桥、DC/DC变换器和储能单元；

[0047] 所述直流电源接入所述H桥逆变器的直流侧，H桥逆变器的交流侧经过所述第一补偿电容与所述送能线圈的原边线圈连接；

[0048] 所述送能线圈的副边线圈经过所述第二补偿电容与整流桥的交流侧连接；

[0049] 所述整流桥的直流侧与DC/DC变换器的输入端连接；

[0050] 所述DC/DC变换器的输出端分别接有储能单元和负载。

[0051] 本发明提供的实施例中，如图1所示，给出了本发明技术方案所设计的为驱动电路提供电源的无线能量传输系统结构图。系统中的原边线圈和副边线圈构成了一个松耦合变压器。四个MOSFET(S1，S2，S3和S4)构成了一个H桥逆变器，为原边线圈提供高频的交流电压源。原边和副边线圈分别使用补偿电容与之构成串联-串联补偿电路。副边线圈的输出接至由四个二极管组成的不控整流桥上，将副边输出的交流输出转换为直流电源。在整流输出和能量存储单元之间有一个DC/DC变流器，它有两个作用：第一个作用是用来控制流入储能单元的能量大小；第二个作用是可以通过控制占空比调整等效负载的大小以匹配无线能量传输系统，使得在实际负载功率变化时能够始终获得最优的效率。

[0052] 其中，所述负载为任意消耗有功的部件，包括电路板、通信装置和驱动电路等。

[0053] 再例如，如图2所示的DC/DC变换器的结构示意图，图2中的DC/DC变换器采用Boost电路的方式来实现。其中，Vi,b是DC/DC变换器的输入直流电压，Vi,b等于整流桥提供的给负载供电的直流电压，Vi,b也等于电容C0上的电压；RLeq为送能线圈中副边的等效负载电阻，Vo,b是DC/DC变换器的输出直流电压，Lb为电感，Db为二极管，Kb为开关，Ii,b是电容Co的充电电流，其由前级线圈系统经过二极管整流桥整流得到。假设Boost电路的占空比为D，则Vi,b和Vo,b有下式所示的关系：

[0054] Vi,b＝(1-D)Vo,b

[0055] 如果不考虑Boost电路的损耗，则能量存储单元的充电功率和Boost电路的输入功率Pin,b相等，可以用下式计算得到：

[0056]

[0057] 上式中，T是送能线圈中副边线圈的电流Is的周期。由于Is具有恒定的幅值，Ii,b在周期T上的平均值也是恒值。因此，Boost电路的充电功率Pin,b可以通过调节Boost电路的占空比D进行控制；

[0058] 通常情况下，在不同工况时，电力电子开关驱动电流的负载是时变的，因此不能始终保证系统获得最大效率所需要的最优负载电阻。为了解决这个问题，使得系统始终能获得最大效率，DC/DC变换器可通过占空比D来调节副边的等效负载电阻RLeq，具体数学表达式如下：

[0059]

[0060] 式中，Isamp为送能线圈中副边电流的幅值；

[0061] 进一步的，所述H桥逆变器由两个并联的桥臂组成，其中，桥臂由两个相互串联的开关器件组成。

[0062] 具体的，所述开关器件由半导体开关管与二极管反向并联组成。

[0063] 进一步的，所述整流桥由两个并联的桥臂组成，其中，桥臂由两个相互串联的二极管组成。

[0064] 本发明提供的一种无线能量传输系统，通过采用无线能量传输的形式，避免了原边和副边的直接接触，提高了能量传输系统的绝缘等级，适用于高压应用场合；通过使用DC/DC变换器动态调节送能线圈中副边的等效负载电阻的大小，可以保证系统效率的最大化；由于原边和副边线圈之间的松耦合导致的较大漏感，通过将补偿电容分别与原边和副边线圈串联可以滤除能量在送能线圈传输时产生的感性分量，使系统的伏安等级降低；在高压柔性交流输电系统中，动态分配各个负载的能量至关重要，通过本专利设计的DC/DC变换器，每个负载获得的能量可以灵活地调节。

[0065] 本发明还提供一种无线能量传输系统的控制方法，如图3所示，所述方法包括：

[0066] 101.所述H桥逆变器将直流电源提供的电源电压转换为交流电压；

[0067] 102.所述送能线圈将所述交流电压传送至所述整流桥的交流侧；

[0068] 103.所述整流桥将接收的交流电压转换为用于给负载供电的直流电压，并将所述用于给负载供电的直流电压发送至所述DC/DC变换器的输入端；

[0069] 104.所述DC/DC变换器利用接收的用于给负载供电的直流电压对负载供电或控制储能单元充放电。

[0070] 进一步的，所述步骤104，包括：

[0071] 根据送能线圈中副边线圈的等效负载电阻调节DC/DC变换器的占空比；

[0072] 利用DC/DC变换器的占空比和用于给负载供电的直流电压确定DC/DC变换器的输出直流电压；

[0073] 利用所述DC/DC变换器的输出直流电压对负载供电或控制储能单元充放电。

[0074] 具体的，所述根据送能线圈中副边线圈的等效负载电阻调节DC/DC变换器的占空比，包括：

[0075] 按下式调节DC/DC变换器的占空比D：

[0076]

[0077] 上式中，RLeq为送能线圈中副边的等效负载电阻，V′为预设的DC/DC变换器的输出直流电压，Isamp为送能线圈中副边电流的幅值，D为DC/DC变换器的占空比。

[0078] 其中，按下式确定送能线圈中副边的等效负载电阻RLeq：

[0079]

[0080] 上式中，k为送能线圈中原边线圈和副边线圈之间的耦合系数，Rs为送能线圈中副边线圈的电阻，Qp为送能线圈中原边线圈的品质因数，Qs为送能线圈中副边线圈的品质因数。

[0081] 具体的，所述利用调节后的DC/DC变换器的占空比和用于给负载供电的直流电压获取DC/DC变换器的输出直流电压，包括：

[0082] 按下式确定DC/DC变换器的输出直流电压Vo,b：

[0083]

[0084] 上式中，Vi,b为用于给负载供电的直流电压。

[0085] 具体的，所述利用所述DC/DC变换器的输出直流电压控制储能单元充放电，包括：

[0086] 当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率大于负载功率时，所述DC/DC变换器输出电压高于所述储能单元两端的电压，所述储能单元进行充电；

[0087] 当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率小于负载功率时，所述DC/DC变换器输出电压低于所述储能单元两端的电压，所述储能单元进行放电；

[0088] 当所述DC/DC变换器的输出直流电压对应的传输功率等于负载功率时，所述DC/DC变换器输出电压等于所述储能单元两端的电压，所述储能单元不充电也不放电。

[0089] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0090] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0091] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0092] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0093] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。