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] 本实用新型涉及一种脉冲注入型感应耦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] 感应耦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，可以有效增加感应耦合式无线能量传输系统的有效传输距离。在感 应耦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IOOkHz的频率上工作时性 能会严重下降，因此尽管中低频的感应耦合式无线能量传输系统（10~20kHz)传输距离较 近，但可以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，以保证原边发 射能量不受耦合和负载变化影响。
[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，让谐振网络以自由振荡 的形式传递能量。这一工作方式虽然可以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以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。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型针对现有技术所存在的问题，提出了一种脉冲注入型感应耦合式无线 能量传输装置。主要目的是通过感应耦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，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。
[0007] 本实用新型采取的技术方案为：：
[0008] 本实用新型提出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、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L r的耦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S1、吸收电容C1、耦合电感L1，开关管 接在直流电源和耦合电感Li之间;吸收电容Ci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耦合电感L2、二极管D1、开关管S2、缓冲电容&，耦合 电感L 2与耦合电感L1-合连接，并和二极管D1的正极相连接，开关管&、缓冲电容&都并联在 二极管〇:的负极和接地端之间。
[0012] 本实用新型提出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] 本实用新型提出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包括发射线圈LT、发射补偿电容C T、发射线圈电阻Rt;发射线圈LT、发射 补偿电容Ct、发射线圈电阻Rt组成串联谐振网络，并联在缓冲电容C 2两端。
[0014] 本实用新型提出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 述接收端谐振单元包括接收线圈Lr、接收补偿电容Cr、负载电阻Rr;接收线圈Lr、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Lr的耦合系数为K。
[0015] 本实用新型提出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中的親合电感LiBi数为親合电感L20i数的η倍，η大于等于2。
[0016] 本实用新型提出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：
[0017] 步骤Α:开关管51与52触发导通，左侧直流电源为耦合电感L1充电，右侧高频谐振发 射单元以自由振荡形式传输能量，此为模态1;
[0018] 步骤Β:开关管S1断开，S2保持导通，親合电感L冲储存的能量在极短时间内转移到 耦合电感1^中，如果耦合电感1^与耦合电感L 2不是完全耦合，则需要利用吸收电容&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C1，直流电源和耦合电感1^组成的谐振 回路向耦合电感Li释放，在耦合电感L 1上会形成一个反向的电流，被吸收电容C1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，耦合电感Li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&，耦合电感1^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:耦合电感1^2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(：2与发射线圈LT、高频谐振发射单元中的发射补偿电容Ct形成一 个谐振网络，缓冲电容C 2中的能量以振荡的形式被转移到高频谐振发射单元中，
[0022] 上述Cl、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(：2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5 2的发射谐振网络，并与接收端谐振单元形成磁耦合 谐振，此为模态4。
[0024]本实用新型的有益效果是：
[0025] 本实用新型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。
[0026] 本实用新型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] 本实用新型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S 1A空比。
【附图说明】
[0028] 图1是本实用新型中脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置结构框图；
[0029] 图2是本实用新型中脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置拓扑图；
[0030]图3是本实用新型中脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置的四个工作模态示 意图，（a)表不模态I，（b)表不模态2,（c)表不模态3,（d)表不模态4;
[0031] 图4是本实用新型中脉冲注入型感应耦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)是本实用新型中从耦合电感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)是本实用新型中从耦合电感L2转移到高频谐振发射单元的能量转移过程 第^步不意图。
[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Ci 8、親合 电感L1 9、耦合电感L2 10、二极管D1 11、开关管S2 12、缓冲电容C2 13、发射线圈Lt 14、发射 补偿电容Ct 15、发射线圈电阻Rt 16、接收线圈Lr 17、接收补偿电容Cr 18、负载电阻Rr。
【具体实施方式】 [0035] 实施例：
[0036] -种脉冲注入型感应耦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U16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R r18供电；
[0038] 所述低频脉冲能量储存单元1包括开关管SW、吸收电容(^7、耦合电感1^，开关管 Si6连接在直流电源5和耦合电感Li8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包括耦合电感L29、二极管D1HK开关管S2Il、缓冲电容 C212,耦合电感L29与耦合电感U8耦合连接，并和二极管D1IO的正极相连接，开关管S 2IU缓 冲电容C212都并联在二极管Di 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CT14、发射线圈电阻 RT15;发射线圈LT13、发射补偿电容CT14、发射线圈电阻R T15组成串联谐振网络，并联在缓冲 电容C212两端。
[0042]所述接收端谐振单元4包括接收线圈Lr16、接收补偿电容Cr17、负载电阻R r18;接收 线圈Lr16、接收补偿电容Cr17、负载电阻Rr组成串联谐振网络，发射线圈L T13与接收线圈Lr16 的耦合系数为K。
[0043] 所述低频脉冲能量储存单元1中的親合电感Li80i数为親合电感L29IM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共用耦合电感。
[0044] 所述脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置拓扑如图2所示，开关管S2Il关断 时，能量注入通路开启；开关管&11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L T13与接收端谐振单元4的接收线圈Lr16谐振耦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SW与开关管S2Il触发导通，左侧直流电源5为耦合电感L 1S充电，右 侧高频谐振发射单元3以自由振荡形式传输能量，此时装置分为互不干扰的两个部分，左侧 耦合电感1^8中的电流以公式（1)的形式增长，从公式（1)可以看出，当输入电压恒定时，耦 合电感L 1S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，Vdc表不直流电源5的输出电压值，^表不親合电感Li8中的电流，此为模态1;
[0048]步骤B:开关管&6断开，开关管S2Il保持导通，親合电感L1S中储存的能量在极短时 间内转移到耦合电感L29中，如果耦合电感1^8与耦合电感L29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Q7,直流电源5和耦 合电感Li8组成的谐振回路向親合电感Li8释放，在親合电感Li8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5 16内部的体二极管会导通，耦合电感L1S 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S2Il，由于发射线圈LT13的阻碍作用，耦合电感L 29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，耦合电感L29 中能量将谐振转移到缓冲电容C212中，随后缓冲电容C212与高频谐振发射单元3中的发射线 圈LT13、发射补偿电容CT14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S2Il导通，形成发射线圈 LtI 3-发射补偿电容CtH-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 络形成磁耦合谐振，此为模态4。
[0051] -种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于，能量从耦合电感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，耦合电感L29中的能量 必须完全释放并转移到缓冲电容C 212和高频谐振发射单元3中；第二步，缓冲电容C212中的 能量以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] 本实用新型的上述实施例可以看出利用脉冲注入型感应耦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、谐振网络以及接收端负载状况的 解耦。
[0053] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 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L r(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C 2(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C T(14)、发射线圈电阻RT(15); 发射线圈LT(13)、发射补偿电容C T(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C r(17)、负载电阻Rr(18);接收线 圈Lr(16)、接收补偿电容C r(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L r(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。
【专利摘要】本实用新型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，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，同时在离散脉冲式能量注入控制方式下，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，提高装置无线能量传输效率，具有很高的实用价值。
【IPC分类】H02J50/12
【公开号】CN205385352
【申请号】CN201620095261
【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7月13日
【申请日】2016年2月1日