一种基于交流包络调制无线电能传输系统的制作方法

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种基于交流包络调制无线电能传输系统。

背景技术：

传统的无线电能传输技术常常以直流负载作为研究对象，对于交流负载的应用，通常采取的是AC/DC/AC模式或者AC/AC模式，在研究及应用中发现在交流负载情况下的传统传输模式无线电能传输系统[如图1(a)]尚存在一系列问题。主要表现在：1、效率低，为了将交流转为为直流，初次级均存在AC/DC整流、大电解滤波环节以及DC/DC调压环节，开关损耗和谐波含量大；2、控制复杂，系统阶数高惯性大，初次级均有较为复杂的控制回路；3、功率因数和功率密度低，初次级能量变换电路存在大电解电容降低了功率因数和功率密度，即使在整流侧采用有源功率因数校正，也不可避免增加系统规模和级联环节，降低了功率密度；4、成本高，体积笨重。以上缺点严重阻碍了无线电能传输技术的发展，限制了无线电能传输技术的应用范围。而对于直接AC/AC结构的无线电能传输系统，通常采用矩阵变换器和复杂的控制模式，一定程度上增加了系统的成本和控制难度。

而传统包络调制无线电能传输系统[如图3(a)]相较于传统传输模式无线电能传输系统[如图1(a)]，虽然一定程度减少了系统的级联环节提升了密度，但缺点是次级拾取端仍旧有整流桥，无法避免大电流下的导通损耗以及高频条件下反向渗透电流造成的损耗，此外也增加了系统的成本和体积，同时由于无线电能传输系统大惯性大延迟的特点，次级的极性切换也是一个极为棘手的问题，目前尚未有较好的结构解决。

技术实现要素：

针对以上问题的不足，本发明提供了一种基于交流包络调制无线电能传输系统，本发明去掉了次级整流电路，采用巴特沃斯电子滤波器对次级拾取谐振电流包络进行处理，为次级逆变电路提供极性切换的驱动信号，使次级控制具有独立性且控制简单，该结构极大地降低了系统的整体体积与成本，提高了传输效率和输入功率因数。

为实现上述目的，本发明一种基于交流包络调制无线电能传输系统，包括初级回路和次级回路，所述初级回路包括交流电能输入模块、高频包络电能变换模块以及初级高频谐振环节，所述高频包络电能变换模块将输入的交流电能进行高频包络电能变换，形成具有输入电源包络特征的高频谐振电流到所述初级高频谐振环节中；所述次级回路包括次级高频谐振环节、高频包络电能解调模块以及交流电能输出模块，所述次级高频谐振环节通过电磁耦合拾取初级高频谐振环节中的高频能量，经过所述高频包络电能解调模块解调得到包络电流，在不需要次级整流桥的情况下，由所述交流电能输出模块将交流电源输出给用电负载。

本发明去掉了次级整流桥，利用开关管反并联二极管提供放电续流回路，从而实现为负载提供连续电能的目的，该结构降低了系统的成本压缩了空间，同时避免了整流桥的导通损耗，以及高频条件下的高频损耗，反向漏电流等损耗，提升了系统的效率。

进一步地，所述高频包络电能变换模块包括初级滤波电路、初级整流电路、初级逆变电路、初级电流采样电路和初级控制模块；所述初级高频谐振环节包括初级补偿网络和初级线圈；

所述初级滤波电路滤出来自后级的高频谐波电流，初级整流电路对电源实现半波整流，所述初级逆变电路对经过半波整流后的半波电源进行高频调制，形成具有输入电源包络特征的高频载波信号；

所述初级补偿网络对系统进行无功补偿并使其工作在谐振状态，由所述初级线圈产生高频谐振电流为所述次级回路输出高频能量；

所述初级电流采样电路检测初级线圈侧的谐振电流，初级控制模块根据检测到的初级线圈侧的谐振电流控制所述初级逆变电路工作。

进一步地，所述初级滤波电路包括电感L_fp和电容L_fp，电感L_fp的一端接电源的正极、另一端接电容L_fp的一端，电容L_fp的另一端接电源的负极，电容L_fp的两端对应接入初级整流电路的两个输入端中。

进一步地，所述初级整流电路是由二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4构成的全桥整流电路；

所述初级逆变电路是由开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4构成的桥式逆变电路，在开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4上均连接有旁通二极管，所述初级控制模块用于控制开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4的通断。

进一步地，所述次级高频谐振环节包括次级线圈和次级补偿网络，所述高频包络电能解调模块包括次级逆变电路、次级电流采样电路、巴特沃斯电子滤波器、电流过零检测电路、逻辑电路以及驱动电路；

所述次级线圈拾取初级回路的高频能量并输出高频电流，所述次级补偿网络对系统进行无功补偿并使其工作在谐振状态；

所述次级逆变电路从所述次级高频谐振环节中获取高频谐波电流信号，所述次级电流采样电路采集高频谐波电流信号，所述巴特沃斯电子滤波器对高频谐波电流进行处理得到电流包络，所述电流过零检测电路对高频谐波电流进行过零检测，所述逻辑电路对电流包络信号和电流过零检测信号进行处理得到软切换驱动信号，该软切换驱动信号经过所述驱动电路驱动所述次级逆变电路工作。

本发明引入通信领域的数字滤波器技术，采用巴特沃斯电子滤波器对次级拾取谐振电流包络进行处理，为次级逆变电路提供极性切换的驱动信号，实现了次级极性软切换，解决了系统次级极性切换的问题，同时巴特沃斯很好的相位特性使得次级能够及时的跟踪包络，避免了系统大惯性造成的包络延迟；采用次级极性软切换从而得到了一个结构更为简单，控制更为便捷，效率更高的交流包络调制无线电能传输系统。

进一步地，所述次级补偿网络包括电容C_s和电阻R_s，次级线圈L_s一端经过电容C_s接入所述次级逆变电路的一个输入端，次级线圈L_s另一端经过电阻R_s接入所述次级逆变电路的另一个输入端。

进一步地，所述次级逆变电路是由开关管S5、开关管S6、开关管S7以及开关管S8构成的桥式逆变电路，在开关管S5、开关管S6、开关管S7以及开关管S8上均连接有旁通二极管，所述逻辑电路和驱动电路用于控制开关管S5、开关管S6、开关管S7以及开关管S8的通断。

本发明次级只需要四个开关管即可实现解调，即利用次级逆变电路对角方向开关管的反并联二极管为输出滤波电感提供放电续流回路，从而实现为负载提供连续电能的目的。

进一步地，所述交流电能输出模块包括次级滤波电路以及用于连接用电负载的电源接口，所述次级滤波电路包括电感L_fs和电容C_fs，所述电感L_fs和所述电容C_fs串联在所述高频包络电能解调模块的两个输出端之间，通过所述电容C_fs向用电负载R_L供电。

进一步地，所述高频包络电能解调模块中的逻辑电路按以下方式控制：

步骤1：次级电流采样电路采集次级电流；

步骤2：巴特沃斯电子滤波器对采集的次级电流进行处理得到电流包络，电流过零检测电路对采样电流进行电流过零检测；

步骤3：电流包络是否小于参考电压值u_ref，是则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4：得到切换信号，电流过零信号是否为上升沿，是则进入步骤5，否则返回步骤2；

步骤5：逻辑取反，得到软切换驱动信号。

由上述方案可知，本发明一种基于交流包络调制无线电能传输系统，具有以下有益效果：

1、本发明易实现；本发明的电流采样电路、巴特沃斯电子滤波器、电流过零检测电路、逻辑电路和驱动电路组成了次级极性软切换控制模块，该模块主要为集成IC器件，因此实际成本及模块体积可以做得非常小，易于实际工程实现。

2、集成度高，成本低；本发明初次级的主电路结构非常简单，初级去掉直流大电容与直流调压环节，次级不仅没有大电容，也没有整流桥，集成度高，有效提升了功率密度，且由于系统主要谐波来自于高频谐振电流，对于输入输出侧的滤波电路规模也可以做得很小，极大地降低了系统的整体体积与成本。

3、高效率、高功率因数；本发明的原理是将低频交流调制为具有低频包络特征的高频交流实现无线电能传输，且系统谐振工作频率稳定，输入侧输出侧均能有效地滤出高频谐波，系统不仅具有较高的效率，也有效抑制了高频谐波，输入侧具有较高的功率因数(接近为1)。

4、控制简单，次级控制具有独立性；本发明提出的方法是通过采集次级侧的谐振电流，巴特沃斯电子滤波器对谐振电流进行处理得到电流包络，同时本发明检测谐振电流的过零点，以实现次级极性软切换，能够很好跟踪电流包络，适应具有惯性相移环节的无线电能传输系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1(a)为传统传输模式无线电能传输系统的原理框图；

图1(b)为本实施例包络调制无线电能传输系统的原理框图；

图2为本实施例包络调制无线电能传输系统的结构框图；

图3(a)为传统包络调制无线电能传输系统的主电路拓扑结构图；

图3(b)为本实施例包络调制无线电能传输系统的主电路拓扑结构图；

图4为本实施例次级极性软切换流程图；

图5为本实施例初级侧高频调制示意图；

图6为本实施例次级侧极性软切换解调示意图；

图7为本实施例拾取侧解调模态1电路图；

图8为本实施例拾取侧解调模态2电路图；

图9为本实施例拾取侧解调模态3电路图；

图10为本实施例拾取侧解调模态4电路图；

图11为本实施例拾取侧解调模态5电路图；

图12为本实施例拾取侧解调模态6电路图；

图13为本实施例进行仿真设置的系统参数表；

图14为本实施例输入电源与输入电流图；

图15为本实施例输入功率因数图；

图16为本实施例输入电流FFT分析图；

图17为本实施例负载电压波形图；

图18为本实施例负载电压的FFT分析图；

图19为本实施例效率对比图；

图20为本实施例功率对比图；

图21为本实施例输入功率因数图；

图22为本实施例滤波器的波特图；

图23为本实施例包络检测与软切换控制时序图；

图24为本实施例次级谐振电流与极性切换信号图；

图25为本实施例极性切换点软开关图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的产品，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例：

本实施例一种基于交流包络调制无线电能传输系统，如图1(b)所示，包括初级回路和次级回路，所述初级回路包括交流电能输入模块、高频包络电能变换模块以及初级高频谐振环节，所述高频包络电能变换模块将输入的交流电能进行高频包络电能变换，形成具有输入电源包络特征的高频谐振电流到所述初级高频谐振环节中；所述次级回路包括次级高频谐振环节、高频包络电能解调模块以及交流电能输出模块，所述次级高频谐振环节通过电磁耦合拾取初级高频谐振环节中的高频能量，经过所述高频包络电能解调模块解调得到包络电流，在不需要次级整流桥的情况下，由所述交流电能输出模块将交流电源输出给用电负载。

本实施例去掉了次级整流桥，利用开关管反并联二极管提供放电续流回路，从而实现为负载提供连续电能的目的，该结构降低了系统的成本压缩了空间，同时避免了整流桥的导通损耗，以及高频条件下的高频损耗，反向漏电流等损耗，提升了系统的效率。

如图2所示，所述高频包络电能变换模块包括初级滤波电路、初级整流电路、初级逆变电路、初级电流采样电路和初级控制模块；所述初级高频谐振环节包括初级补偿网络和初级线圈；

所述初级滤波电路滤出来自后级的高频谐波电流，初级整流电路对电源实现半波整流，所述初级逆变电路对经过半波整流后的半波电源进行高频调制，形成具有输入电源包络特征的高频载波信号；

所述初级补偿网络对系统进行无功补偿并使其工作在谐振状态，由所述初级线圈产生高频谐振电流为所述次级回路输出高频能量；

所述初级电流采样电路检测初级线圈侧的谐振电流，初级控制模块根据检测到的初级线圈侧的谐振电流控制所述初级逆变电路工作。

如图3(b)，所述初级滤波电路包括电感L_fp和电容L_fp，电感L_fp的一端接电源的正极、另一端接电容L_fp的一端，电容L_fp的另一端接电源的负极，电容L_fp的两端对应接入初级整流电路的两个输入端中。

所述初级整流电路是由二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4构成的全桥整流电路；

所述初级逆变电路是由开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4构成的桥式逆变电路，在开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4上均连接有旁通二极管，所述初级控制模块用于控制开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4的通断。

如图2所示，所述次级高频谐振环节包括次级线圈和次级补偿网络，所述高频包络电能解调模块包括次级逆变电路、次级电流采样电路、巴特沃斯电子滤波器、电流过零检测电路、逻辑电路以及驱动电路；

所述次级线圈拾取初级回路的高频能量并输出高频电流，所述次级补偿网络对系统进行无功补偿并使其工作在谐振状态；

所述次级逆变电路从所述次级高频谐振环节中获取高频谐波电流信号，所述次级电流采样电路采集高频谐波电流信号，所述巴特沃斯电子滤波器对高频谐波电流进行处理得到电流包络，所述电流过零检测电路对高频谐波电流进行过零检测，所述逻辑电路对电流包络信号和电流过零检测信号进行处理得到软切换驱动信号，该软切换驱动信号经过所述驱动电路驱动所述次级逆变电路工作。

本实施例引入通信领域的数字滤波器技术，采用巴特沃斯电子滤波器对次级拾取谐振电流包络进行处理，为次级逆变电路提供极性切换的驱动信号，实现了次级极性软切换，解决了系统次级极性切换的问题，同时巴特沃斯很好的相位特性使得次级能够及时的跟踪包络，避免了系统大惯性造成的包络延迟；采用次级极性软切换从而得到了一个结构更为简单，控制更为便捷，效率更高的交流包络调制无线电能传输系统。

如图3(b)，所述次级补偿网络包括电容C_s和电阻R_s，次级线圈L_s一端经过电容C_s接入所述次级逆变电路的一个输入端，次级线圈L_s另一端经过电阻R_s接入所述次级逆变电路的另一个输入端。

所述次级逆变电路是由开关管S5、开关管S6、开关管S7以及开关管S8构成的桥式逆变电路，在开关管S5、开关管S6、开关管S7以及开关管S8上均连接有旁通二极管，所述逻辑电路和驱动电路用于控制开关管S5、开关管S6、开关管S7以及开关管S8的通断。

本实施例次级只需要四个开关管即可实现解调，即利用次级逆变电路对角方向开关管的反并联二极管为输出滤波电感提供放电续流回路，从而实现为负载提供连续电能的目的。

所述交流电能输出模块包括次级滤波电路以及用于连接用电负载的电源接口，所述次级滤波电路包括电感L_fs和电容C_fs，所述电感L_fs和所述电容C_fs串联在所述高频包络电能解调模块的两个输出端之间，通过所述电容C_fs向用电负载R_L供电。

如图4所示，高频包络电能解调模块中的逻辑电路按以下方式控制：

步骤1：次级电流采样电路采集次级电流；

步骤2：巴特沃斯电子滤波器对采集的次级电流进行处理得到电流包络，电流过零检测电路对采样电流进行电流过零检测；

步骤3：电流包络是否小于参考电压值u_ref，是则进入步骤4，否则返回步骤2；

步骤4：得到切换信号，电流过零信号是否为上升沿，是则进入步骤5，否则返回步骤2；

步骤5：逻辑取反，得到软切换驱动信号。

本实施例初级侧高频调制示意图，如图5所示；本实施例次级侧极性软切换解调示意图，如图6所示。下面对本实施例的次级回路进行分析，电源半周期内，S₅、S₈常通，S₆、S₇常断(注：另外半周期内，S₅、S₈常断，S₆、S₇常通，结构与控制与前半周期对称，不再赘述)，次级拾取侧解调在一个谐振周期内具有六个模态：

如图7所示，本实施例拾取侧解调模态1电路图，S₅、S₈导通，S₆、S₇关断，输出滤波电路与负载接入到次级谐振网络，系统对电感L_fs充电，i_L上升。

如图8所示，本实施例拾取侧解调模态2电路图，模态1持续下去将会开始谐振，V_Ls电势将会反向，这时S₆、S₇的反向二极管建立正向电势，二极管导通后电压箝位使得V_Ls电势近似为零，电感L_fs通过二极管释放能量，副边谐振电流i_Ls正向下降到零，二极管电流i₆、i₇逐渐增加，i₅、i₆正向下降，电感电流i_L下降。

如图9所示，本实施例拾取侧解调模态3电路图，S₆、S₇反向二极管仍具有正向电势，但由于二极管导通后电压箝位，V_Ls电势近似为零，电感L_fs通过二极管继续释放能量，副边谐振电流i_Ls反向上升，二极管电流i₆、i₇继续逐渐增加，i₅、i₆正向下降到零，电感电流i_L继续下降。

如图10所示，本实施例拾取侧解调模态4电路图，S₆、S₇反向二极管仍具有正向电势，二极管导通后电压箝位，V_Ls电势近似为零，电感L_fs通过二极管继续释放能量，电感电流i_L继续下降，副边谐振电流i_Ls反向谐振，二极管电流i₆、i₇继续谐振，i₅、i₆反向谐振到零。

如图11所示，本实施例拾取侧解调模态5电路图，S₆、S₇反向二极管仍具有正向电势，二极管导通后电压箝位，V_Ls电势近似为零，电感L_fs通过二极管继续释放能量，电感电流i_L继续下降，副边谐振电流i_Ls反向到零，二极管电流i₆、i₇继续逐渐减小方向不变，i₅、i₆正向增加。

如图12所示，本实施例拾取侧解调模态6电路图，S₆、S₇反向二极管仍具有正向电势，二极管导通后电压箝位，V_Ls电势近似为零，电感L_fs通过二极管继续释放能量，电感电流i_L继续下降，副边谐振电流i_Ls正向上升，二极管电流i₆、i7继续逐渐减小到零方向不变，i5、i6正向增加。

本实施例的仿真与实验验证如下：

1、交流包络调制无线电能传输系统的输入功率因数验证

如图13所示，本实施例进行仿真设置的系统参数表；

如图14所示，本实施例输入电源与输入电流图；

如图15所示，本实施例输入功率因数图，由图中可看出，0-0.025s为系统暂态启动过程，在0.025s后系统进入稳态，功率因数为0.99972，表明系统具有很高的输入功率因数。

无线传输系统通常都是工作在高频状态以便于实现电能在空气介质中传播，而且系统工作频率保持稳定，由于谐振频率较高而且固定，极大的方便输入滤波电路的设计和降低滤波电路尺寸和体积，系统输入电感只需要225.19μH，电容为22μF。如图16所示，本实施例输入电流FFT分析图，图为输入电流的傅里叶分析，从图中可以看到，总谐波畸变率只有0.83％。

2、负载电压分析

负载电压及其傅里叶分析如图17、图18所示，类似地，次级谐振工作频率保持稳定，由于谐振频率较高而且固定，也极大的方便输出滤波电路的设计和降低滤波电路尺寸和体积，系统输出滤波电感只需要2.25mH，电容仅需要1.126μF即可，此处与输入侧设计不一致的原因主要是，增大电容会抬高包络谷值，所以在输出侧可以遵循增大电感，减小电容的准则。从图18的负载电压的FFT分析图可以看到，总谐波畸变率只有0.79％。

3、本实施例与传统整流桥结构的系统在功率、效率、输入功率因数上的对比

由图19的效率对比图可以看到，本发明在负载30-70欧姆的变化范围内始终保持效率高于传统结构的包络调制无线电能传输系统；由图20的功率对比图可以看出，传输功率上，本发明低于传统带整流桥结构的系统，但是功率并没有发生较大下降；由图21的输入功率因数图可以看出，本发明在整个负载范围内都保持着较高的输入功率因数，在负载较小和较大的时候，本发明具有比传统结构更高的输入功率因数，在40-60欧姆范围内，略低于传统结构，但是差距并不大，总体输入功率近于1。

4、次级极性软切换的实现

如图22所示，本实施例滤波器的波特图，巴特沃斯电子滤波器参数：设计响应类型为低通滤波(lowpass)，截止频率fc为0.5KHz，滤波器阶数为4阶；如图23所示，本实施例包络检测与软切换控制时序图，通道一为通过检波电路后的谐振电流，通道二为检测的电流包络线，通道三为包络与参考电压比较产生的切换信号，通道四为软切换驱动信号，实线为S5、S8的驱动；虚线会互补的S6、S7驱动信号；图24为本实施例次级谐振电流与极性切换信号图；图25为本实施例极性切换点软开关图。

本实施例相较于传统包络调制无线电能传输系统在去掉了次级整流电路，采用巴特沃斯电子滤波器对次级拾取谐振电流包络进行处理，为次级逆变电路提供极性切换的驱动信号，使次级控制具有独立性且控制简单，该结构极大地降低了系统的整体体积与成本，提高了传输效率和输入功率因数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。