脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置的制造方法

xiaoxiao2021-2-23  138

脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,属于无线电能传输技 术领域。
【背景技术】
[0002] 感应禪合式无线能量传输领域的发展和研究成果表明,提高系统工作频率并采用 高品质因数谐振网络,可W有效增加感应禪合式无线能量传输系统的有效传输距离。在感 应禪合式无线能量传输系统中,谐振网络线圈中的高频交流电由发射端逆变器产生。在大 部分的逆变器拓扑中,为了产生一定频率的谐振电流,逆变器中开关管的工作频率必须与 谐振频率相同,随着工作频率的升高,开关管的开关损耗会超过传输损耗,反而导致整体传 输效率的降低。同时,常用的功率开关管开关速度都不高,在超过100曲Z的频率上工作时性 能会严重下降,因此尽管中低频的感应禪合式无线能量传输系统(10~20kHz)传输距离较 近,但可W实现高达数十千瓦的传输功率,而高频装置虽然传输距离远,但最多也只能传输 数十瓦。
[0003] 专利1:一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置,申请号201510624656.5, 该发明提供的一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置,通过软开关控制电路控制逆 变电路中开关管的两端电压波形,使得在开关管关断期间能够在零电压开通,减小开关功 耗;同时通过电流调节电路控制原边发射电流为恒定频率、恒定幅值的电流,W保证原边发 射能量不受禪合和负载变化影响。
[0004] 专利2: -种用于无线电能传输的高倍频逆变电路,申请号201510315212.3,该发 明提供一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路,通过多桥臂移相的方式,生成具有一定 相位差的方波功率信号并进行叠加输出,基于傅里叶级数分析,实现逆变输出频率为开关 频率的η倍的效果。
[0005] 上述专利虽然一定程度上减少了开关损耗或实现了能量的恒定输入,但没有完全 实现能量的独立输入,且专利2实现电路成本较高且过于复杂。有研究人员提出了离散注入 型的发射端控制方式,即保持输入电压不变,使逆变器间歇性工作,让谐振网络W自由振荡 的形式传递能量。运一工作方式虽然可W降低逆变器的开关频率,然而它并没有完全实现 离散能量注入的功能。由于振荡电流衰减的速度与接收端负载状况相关,当接收端负载足 够大,使得每个谐振周期内逆变器注入谐振网络的能量可W在一个周期内衰减掉,则逆变 器开关频率就会与谐振频率相同。不仅如此,由于该方法中的能量注入是通过在谐振过程 中将电源接入谐振网络来实现,因此谐振网络中的阻抗和储能情况会影响电源在接入期间 输出的功率。

【发明内容】

[0006] 本发明针对现有技术所存在的问题,提出了一种脉冲注入型感应禪合式无线能量 传输装置。主要目的是通过感应禪合式无线能量传输装置的离散脉冲式能量注入控制方 式,使装置w远低于谐振频率的脉冲注入频率向接收端传输能量,避免由于开关管工作频 率过高而产生的开关损耗,提高装置无线能量传输效率,并通过对装置发射端逆变器拓扑 的结构设计与控制,彻底地将装置注入能量与开关频率、谐振网络W及接收端负载状况解 禪,完全实现装置的离散脉冲式能量注入功能。
[0007] 本发明的目的是运样实现的:
[0008] 本发明提出一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,包括低 频脉冲能量储存单元、脉冲能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元;
[0009] 直流电源向低频脉冲能量储存单元提供注入能量,低频脉冲能量储存单元与脉冲 能量转移单元相连接,再与高频谐振发射单元相连,高频谐振发射单元通过发射线圈Lt与 接收线圈以的禪合谐振向接收端谐振单元传输能量,接收端谐振单元接收能量并向负载电 阻Rr供电;
[0010]所述低频脉冲能量储存单元包括开关管Si、吸收电容Cl、禪合电感Li,开关管S痛 接在直流电源和禪合电感b之间;吸收电容Cl并联在开关管Si功率端两端;
[0011] 所述的脉冲能量转移单元包括禪合电感L2、二极管化、开关管S2、缓冲电容C2,禪合 电感L2与禪合电感^禪合连接,并和二极管化的正极相连接,开关管S2、缓冲电容C2都并联在 二极管化的负极和接地端之间。
[0012] 本发明提出一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,所述低 频脉冲能量储存单元和脉冲能量转移单元的工作频率相同,该工作频率远低于高频谐振发 射单元的谐振频率。
[0013] 本发明提出一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,所述高 频谐振发射单元包括发射线圈Lt、发射补偿电容打、发射线圈电阻Rt;发射线圈Lt、发射补偿 电容打、发射线圈电阻化组成串联谐振网络,并联在缓冲电容C2两端。
[0014] 本发明提出一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,所述接 收端谐振单元包括接收线圈k、接收补偿电容Cr、负载电阻Rr;接收线圈以、接收补偿电容Cr、 负载电阻Rr组成串联谐振网络,发射线圈Lt与接收线圈k的禪合系数为K。
[0015] 本发明提出一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,所述低 频脉冲能量储存单元中的禪合电感^应数为禪合电感L2应数的η倍,η大于等于2。
[0016] 本发明提出一种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,根据装 置中开关状态的不同,电路工作过程具体包括四个模态,实现步骤如下:
[0017] 步骤Α:开关管Si与S2触发导通,左侧直流电源为禪合电感b充电,右侧高频谐振发 射单元W自由振荡形式传输能量,此为模态1;
[0018] 步骤B:开关管Si断开,S2保持导通,禪合电感b中储存的能量在极短时间内转移到 禪合电感L2中,如果禪合电感^与禪合电感L2不是完全禪合,则需要利用吸收电容Cl对漏感 能量进行吸收,吸收掉的漏感能量会沿着由吸收电容Ci,直流电源和禪合电感b组成的谐振 回路向禪合电感^释放,在禪合电感b上会形成一个反向的电流,被吸收电容Cl吸收的能量 被完全释放后,开关管Si内部的体二极管会导通,禪合电感^中的能量将回馈到直流电源中 去,此为模态2;
[0019] 步骤C:断开开关管S2,禪合电感L2中的能量转移到高频谐振发射单元中,此为模态 3,具体步骤如下:
[0020] 步骤Cl:禪合电感L2中的能量必须完全释放并转移到缓冲电容和高频谐振发射单 元中,
[0021] 步骤C2:缓冲电容C2与发射线圈Lt、高频谐振发射单元中的发射补偿电容打形成一 个谐振网络,缓冲电容C2中的能量W振荡的形式被转移到高频谐振发射单元中,
[0022] 上述C1、C2两个步骤实际是同时进行的,但是第一步必须比第二步提前完成;
[0023] 步骤D:缓冲电容C2中的能量完全释放后,将开关管S2导通,形成发射线圈Lt-发射 补偿电容Ct-发射线圈电阻Rt-开关管S2的发射谐振网络,并与接收端谐振单元形成磁禪合 谐振,此为板态4。
[0024] 由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
[0025] 本发明的一个效果在于,利用装置不同开关状态和模态的切换,将装置能量注入 过程与振荡传能过程分离,使得装置能量注入彻底与开关频率、谐振网络W及接收端负载 状况解禪,完全实现装置的离散脉冲式能量注入。
[0026] 本发明的一个效果在于,根据设计的发射端逆变器拓扑结构,使得每次脉冲注入 谐振网络的能量仅仅与低频脉冲能量储存单元的充电时间有关,而无需增加开关频率,避 免了开关管高频率开通导致的开关损耗,提高装置无线能量传输效率。
[0027] 本发明的一个效果在于,根据设计的发射端逆变器拓扑结构,当接收端负载变化 时,只需改变每个开关周期内低频脉冲能量储存单元充电时间,即只改变开关管Si占空比。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明中脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置结构框图;
[0029] 图2是本发明中脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置拓扑图;
[0030] 图3是本发明中脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置的四个工作模态示意 图,(a)表示模态1,(b)表示模态2,(C)表示模态3,(d)表示模态4;
[0031 ]图4是本发明中脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置四个工作模态对应的理 想电压电流波形图;
[0032] 图5(a)是本发明中从禪合电感L2转移到高频谐振发射单元的能量转移过程第一 步示意图;
[0033] 图5(b)是本发明中从禪合电感L2转移到高频谐振发射单元的能量转移过程第二 步示意图。
[0034] 附图中,各标号所代表的部件:1、低频脉冲能量储存单元2、脉冲能量转移单元 3、高频谐振发射单元4、接收端谐振单元5、直流电源6、开关管Si 7、吸收电容Cl 8、禪合 电感b 9、禪合电感L2 10、二极管化11、开关管S2 12、缓冲电容C2 13、发射线圈Lt 14、发射 补偿电容打15、发射线圈电阻化16、接收线圈以17、接收补偿电容Cr 18、负载电阻Rr。
【具体实施方式】
[00对实施例:
[0036] -种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置包括低频脉冲能量储存单元1、脉 冲能量转移单元2、高频谐振发射单元3、接收端谐振单元4;
[0037] 直流电源5向低频脉冲能量储存单元1提供注入能量,低频脉冲能量储存单元1与 脉冲能量转移单元2相连接,再与高频谐振发射单元3相连,高频谐振发射单元3通过发射线 圈Lt13与接收线圈kl6的禪合谐振向接收端谐振单元4传输能量,接收端谐振单元4接收能 量并向负载电阻Rrl8供电;
[0038] 所述低频脉冲能量储存单元1包括开关管Si6、吸收电容Ci7、禪合电感^,开关管 Si6连接在直流电源5和禪合电感之间;吸收电 容Ci7并联在开关管Si6功率端两端;
[0039] 所述的脉冲能量转移单元2包括禪合电感L29、二极管化10、开关管S211、缓冲电容 C212,禪合电感L29与禪合电感禪合连接,并和二极管化10的正极相连接,开关管S211、缓 冲电容C212都并联在二极管化10的负极和接地端之间。
[0040] 所述低频脉冲能量储存单元1和脉冲能量转移单元2的工作频率相同,该工作频率 远低于高频谐振发射单元3的谐振频率,实现装置的离散脉冲式能量注入。
[0041] 所述高频谐振发射单元3包括发射线圈Lt13、发射补偿电容打14、发射线圈电阻 Rt15;发射线圈Lt13、发射补偿电容打14、发射线圈电阻Rt15组成串联谐振网络,并联在缓冲 电容C2I2两端。
[0042] 所述接收端谐振单元4包括接收线圈kl6、接收补偿电容Crl7、负载电阻Rrl8;接收 线圈kl6、接收补偿电容Crl7、负载电阻Rr组成串联谐振网络,发射线圈Lt13与接收线圈kl6 的禪合系数为K。
[0043] 所述低频脉冲能量储存单元1中的禪合电感应数为禪合电感L29应数的η倍,η大 于等于2,并且所述低频脉冲能量储存单元1和脉冲能量转移单元2共用禪合电感。
[0044] 所述脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置拓扑如图2所示,开关管S211关断 时,能量注入通路开启;开关管S211导通时则成为谐振网络的通路,装置通过高频谐振发射 单元3的发射线圈Lt13与接收端谐振单元4的接收线圈kl6谐振禪合进行无线能量传输,根 据装置中开关状态的不同,电路工作过程具体包括四个模态,如图3所示,四个工作模态对 应的理想电压电流波形如图4所示,实现步骤如下:
[0045] 步骤A:开关管Si6与开关管S211触发导通,左侧直流电源5为禪合电感^8充电,右 侧高频谐振发射单元3W自由振荡形式传输能量,此时装置分为互不干扰的两个部分,左侧 禪合电感^8中的电流W公式(1)的形式增长,从公式(1)可W看出,当输入电压恒定时,禪 合电感在能量采集阶段从直流电源5获取到的能量仅仅与模态1的持续时间有关;
[0046]
[0047] 式中,Vd。表示直流电源5的输出电压值,表示禪合电感中的电流,此为模态1;
[0048] 步骤B:开关管Si6断开,开关管S211保持导通,禪合电感Li8中储存的能量在极短时 间内转移到禪合电感L29中,如果禪合电感Li8与禪合电感L29不是完全禪合,则需要利用吸 收电容Ci7对漏感能量进行吸收,吸收掉的漏感能量会沿着由吸收电容Ci7,直流电源5和禪 合电感^8组成的谐振回路向禪合电感^8释放,在禪合电感^8上会形成一个反向的电流, 被吸收电容Ci7吸收的能量被完全释放后,开关管Si6内部的体二极管会导通,禪合电感^8 中的能量将回馈到直流电源5中去,此为模态2;
[0049] 步骤C:断开开关管S211,由于发射线圈Lt13的阻碍作用,禪合电感L29中的能量并 不能直接注入到高频谐振发射单元3中,因此采用缓冲电容C212作为缓冲电容,禪合电感L29 中能量将谐振转移到缓冲电容C2l2中,随后缓冲电容C2l2与高频谐振发射单元3中的发射线 圈Lt13、发射补偿电容打14形成一个谐振网络,储存在缓冲电容C212中的能量在半个谐振周 期内被抽取到高频谐振发射单元3中,此为模态3;
[0050] 步骤D:缓冲电容C212中的能量完全释放后,将开关管S211导通,形成发射线圈 Lt13-发射补偿电容Ct14-发射线圈电阻Rt15-开关管S211的发射谐振网络,并与接收端的网 络形成磁禪合谐振,此为模态4。
[0051] -种脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置,其特征在于,能量从禪合电感L29 转移到高频谐振发射单元3的过程分为两个步骤如图5所示,第一步,禪合电感L29中的能量 必须完全释放并转移到缓冲电容C212和高频谐振发射单元3中;第二步,缓冲电容C212中的 能量W振荡的形式被转移到高频谐振发射单元3中,由于谐振是自然发生的,上述两个步骤 实际是同时进行的,但是第一步必须比第二步提前完成。
[0052] 本发明的上述实施例可W看出利用脉冲注入型感应禪合式无线能量传输装置发 射端逆变器拓扑的设计和控制,实现了装置脉冲式能量注入,避免了开关管高频率工作产 生的开关损耗,并实现了装置能量注入与开关频率、谐振网络W及接收端负载状况的解禪。
[0053] W上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用W限制本发明,凡在本发明的精神和 原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置,其特征在于,包括低频脉冲能量储 存单元(1)、脉冲能量转移单元(2)、高频谐振发射单元(3)、接收端谐振单元(4); 直流电源(5)向低频脉冲能量储存单元(1)提供注入能量,低频脉冲能量储存单元(1) 与脉冲能量转移单元(2)相连接,再与高频谐振发射单元(3)相连,高频谐振发射单元(3)通 过发射线圈LT(13)与接收线圈Lr(16)的耦合谐振向接收端谐振单元(4)传输能量,接收端谐 振单元(4)接收能量并向负载电阻Rr( 18)供电; 所述低频脉冲能量储存单元(1)包括开关管SK6)、吸收电容(^(7)、耦合电感1^(8),开 关管SK6)连接在直流电源(5)和耦合电感U(8)之间;吸收电容&(7)并联在开关管SK6)功 率端两端; 所述的脉冲能量转移单元(2)包括耦合电感L2(9)、二极管DK10)、开关管S2(ll)、缓冲 电容C2(12),耦合电感L2(8)与耦合电感LK9)耦合连接,并和二极管DK10)的正极相连接, 开关管&(11)、缓冲电容C2(12)都并联在二极管01(10)的负极和接地端之间。2. 如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置,其特征在于,所 述低频脉冲能量储存单元(1)和脉冲能量转移单元(2)的工作频率相同,该工作频率远低于 高频谐振发射单元(3)的谐振频率。3. 如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置,其特征在于,所 述高频谐振发射单元(3)包括发射线圈LT(13)、发射补偿电容CT(14)、发射线圈电阻RT(15); 发射线圈LT(13)、发射补偿电容CT(14)、发射线圈电阻RT(15)组成串联谐振网络,并联在缓 冲电容C2(12)两端。4. 如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置,其特征在于,所 述接收端谐振单元(4)包括接收线圈Lr(16)、接收补偿电容Cr(17)、负载电阻Rr(18);接收线 圈Lr(16)、接收补偿电容Cr(17)、负载电阻Rr(18)组成串联谐振网络,发射线圈LT(13)与接 收线圈Lr(16)的耦合系数为K。5. 如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置,其特征在于,所 述低频脉冲能量储存单元(1)中的親合电感Li(8)阻数为親合电感L2(9)IM数的η倍,η大于等 于2。6. 如权利要求1所述的一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置,其特征在于,根 据装置中开关状态的不同,电路工作过程具体包括四个模态,实现步骤如下: 步骤Α:开关管SK6)与开关管S2(ll)触发导通,左侧直流电源(5)为耦合电感LK8)充 电,右侧高频谐振发射单元(3)以自由振荡形式传输能量,此为模态1; 步骤B:开关管SK6)断开,开关管&(11)保持导通,親合电感LK8)中储存的能量在极短 时间内转移到耦合电感L2(9)中,如果耦合电感1^(8)与耦合电感L2(9)不是完全耦合,则需 要利用吸收电容&(7)对漏感能量进行吸收,吸收掉的漏感能量会沿着由吸收电容&(7),直 流电源(5)和耦合电感LK8)组成的谐振回路向耦合电感LK8)释放,在耦合电感LK8)上会 形成一个反向的电流,被吸收电容&(7)吸收的能量被完全释放后,开关管&(6)内部的体二 极管会导通,耦合电感U(8)中的能量将回馈到直流电源(5)中去,此为模态2; 步骤C:断开开关管&(11),耦合电感L2(9)中的能量转移到高频谐振发射单元(3)中,此 为模态3,具体步骤如下: 步骤C1:耦合电感L2(9)中的能量必须完全释放并转移到缓冲电容C2(12)和高频谐振发 射单元(3)中, 步骤C2:缓冲电容C2(12)与发射线圈LT(13)、高频谐振发射单元(3)中的发射补偿电容Ct(14)形成一个谐振网络,缓冲电容C2(12)中的能量以振荡的形式被转移到高频谐振发射 单元(3)中, 上述C1、C2两个步骤实际是同时进行的,但是第一步必须比第二步提前完成; 步骤D:缓冲电容C2(12)中的能量完全释放后,将开关管S2(ll)导通,形成发射线圈LT (13)-发射补偿电容Ct( 14)-发射线圈电阻Rt( 15)-开关管S2( 11)的发射谐振网络,并与接收 端谐振单元(4)形成磁親合谐振,此为模态4。
【专利摘要】本发明公开一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置。装置包括低频脉冲能量储存单元、脉冲能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元,通过对装置发射端逆变器拓扑的结构设计与控制,彻底将装置注入能量与开关频率、谐振网络以及接收端负载状况解耦,完全实现装置的离散脉冲式能量注入功能,同时在离散脉冲式能量注入控制方式下,使装置以远低于谐振频率的脉冲注入频率向接收端传输能量,避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗,提高装置无线能量传输效率。
【IPC分类】H02J50/12
【公开号】CN105490397
【申请号】CN201610065259
【发明人】冬雷, 鞠兴龙, 王亚楠
【申请人】北京动力京工科技有限公司, 冬雷
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月1日

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