一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种新型的无线电能传输系统，具体设及一种谐振补偿拓扑可切换的 无线电能传输系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 鉴于无线电能传输技术所具有的安全、便利、适应环境能力强等优势，成为了目前 电力电子领域的热口研究课题，其理论体系也在不断的发展与完善。其中电磁感应式无线 电能传输技术发展最为迅速，应用也最为广泛，它利用高频磁场在磁路机构中传输能量，从 而实现原边发射端与副边拾取端的物理隔离。
[0003]可见，无线电能传输系统的磁路机构是无线电能传输技术的核屯、，其禪合系数的 大小也直接影响整个无线电能传输系统的输出电压、输出功率及传输效率等特性。而磁路 机构中分离的原边发射端与副边拾取端是一种松禪合磁路结构，具有漏感大，激磁电感小， 禪合系数小等缺点，因此为了实现系统能量传输的最大化，减小整个系统的无功功率，一般 需要对原副边线圈电感进行补偿，因此无线电能传输系统的谐振补偿方式成为了无线电能 传输技术的研究重点。
[0004]目前，常见的无线电能传输系统谐振补偿拓扑由原副边的补偿结构不同可分为四 种基本补偿拓扑，分别为：串/串补偿(SS)拓扑，串/并补偿(SP)拓扑，并/串补偿(PS)拓扑， 并/并补偿(PP)拓扑，除W上四种基本补偿拓扑W外，还有LCL、LCC、SSP等新型拓扑拓扑。运 些补偿拓扑都有各自的特点与优势，需要根据应用环境的不同选取一种最适合的补偿拓 扑。
[000引纵观上述的各种谐振补偿拓扑，IXL补偿拓扑由于其可W通过参数设计使原边导 轨恒流，故被广泛应用在无线电能传输系统的原边谐振补偿结构，而S或P补偿拓扑由于其 结构简单、储能元件少，所W常被用作无线电能传输系统的副边谐振补偿结构。而La-S与 IXL-P两种补偿结构所构成的无线电能传输系统表现出的特性大不相同，其中L化-S系统适 合用于需要恒压源供电的负载，而La-P系统适合用于需要恒流源供电的负载。或者当负载 值较小时，L化-S系统的输出功率和传输效率较1化斗系统更高，而当负载值较大时，L化-P 系统的输出功率和传输效率较La-S系统更有优势。所W当负载所需供电电源特性或功率 效率输出要求不同时，单一谐振补偿拓扑的无线电能传输系统就不能满足其应用场合，目 前国内外也没有能够改善运一情况的研究发明。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明的目的是提供一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系 统及其控制方法，可W根据负载供电所需电源特性或功率效率输出要求，灵活的切换系统 工作模式为其提供电能，有效的优化其功率及效率，使系统工作在高功率高效率状态，从而 满足各种类型负载的供电要求，有效克服了单一谐振补偿拓扑的限制，拓宽了系统应用场 厶 1=1 O
[0007] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案:一种谐振补偿拓扑可切换的无线电 能传输系统，其特征是：该系统包括直流电源、高频逆变机构、原边补偿机构、电磁禪合机 构、呂[]边切换机构、局频整流机构、负载、原边巧制机构和副边巧制机构;其中直流电源由市 电经整流滤波获得;高频逆变机构可选择半桥、全桥或推挽式逆变电路;原边补偿机构选用 IXL补偿拓扑；电磁禪合机构为松禪合磁路结构;原边控制机构由原边控制器和驱动电路构 成，副边控制机构由检测模块、副边控制器、驱动电路构成，其中原边控制器及副边控制器 可选用DSP、FPGA、ARM单片机等，检测模块与系统输出端相连，可检测负载值的大小，驱动电 路由光禪隔离和功率放大两部分电路构成。
[0008] 所述的一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统，其特征在于:原边补偿机 构为LCUT型)结构，副边切换机构由串联补偿电容Csi并联一个双向开关Si和并联补偿电容 CS2串联一个双向开关S2构成，其中所述的双向开关为两只功率开关管反向串联;副边控制 机构通过控制Sl、S2的开通和关断，使无线电能传输系统在两种不同的谐振补偿拓扑上进行 切换，两种可相互切换的谐振补偿拓扑分别为:1XL-S补偿拓扑和LCL-P补偿拓扑。
[0009] 所述的一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于： 通过检测负载供电电源特性的不同，使系统在恒流输出、恒压输出W及高功率高效率 输出=种工作模式上进行切换，W满足各种类型负载的供电要求。
[0010] (1)当系统负载要求必须恒流源供电时，令开关管Si和S2同时开通，使系统切换至 IXL-P补偿拓扑对负载进行恒流供电工作模式。
[0011] (2)当系统负载需要必须恒压源供电时，令开关管Si和S2同时关断，使系统切换至 IXL-S补偿拓扑对负载进行恒压供电工作模式。
[0012] (3)当系统负载即可W使用恒流源供电又可W使用恒压源供电时，优先考虑其输 出功率和效率，检测系统负载化，存在限值Rx，负载电阻化<Rx时，令开关管Si和S2同时关断， 使系统切换至L化-巧H尝拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高;负载电阻化〉Rx时，令开 关管Si和S2同时开通，使系统切换至La-P补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高， 从而使系统工作在高功率高效率的工作模式下。
[0013] 有益效果 本发明由于采用上述技术方案，其具有优点如下：可W根据负载供电所需电源特性或 功率效率输出要求，灵活切换系统相应的工作模式为其提供电能，有效的优化其功率及效 率，使系统工作在高功率高效率状态，从而满足各种类型负载的供电要求，有效克服了单一 谐振补偿拓扑的限制，拓宽了系统应用场合。
[0014] (1)当系统负载要求必须恒流源供电时，令开关管Si和S2同时开通，使系统切换至 IXL-P补偿拓扑对负载进行恒流供电工作模式。例如:L邸灯、电池恒流充电时段等 (2) 当系统负载需要必须恒压源供电时，令开关管Si和S2同时关断，使系统切换至La-S补偿拓扑对负载进行恒压供电工作模式。例如：电机、电灯、电池恒压充电时段等 (3) 当系统负载即可W使用恒流源供电又可W使用恒压源供电时，优先考虑其输出功 率和效率，检测系统负载化，存在限值Rx，负载电阻化<Rx时，令开关管Si和S2同时关断，使系 统切换至L化-巧H尝拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高；负载电阻化〉Rx时，令开关管 Si和S2同时开通，使系统切换至La-P补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高，从而 使系统工作在高功率高效率的工作模式下。例如:取暖器、电热毯等【附图说明】
[001引图1为本发明系统主电路结构图 图中，1、直流电源;2、高频逆变机构;3、原边补偿机构;4、电磁禪合机构;5、副边切换机 构;6、整流滤波机构;7、负载;8、原边控制机构;9、副边控制机构 图2为开关Si、S2同时关断时本发明系统切换至L化-S补偿拓扑的主电路图 图3为开关Si、S2同时开通时本发明系统切换至L化-P补偿拓扑的主电路图 图4为本发明系统主电路简化过程分析图 图5为本发明系统工作在La-S拓扑下的输出电压与系统负载之间的关系图 图6为本发明系统工作在LCL-P拓扑下的输出电流与系统负载之间的关系图 图7为本发明系统输出功率和传输效率与系统负载之间的关系图 图8为本发明系统工作流程图
【具体实施方式】
[0016] 为了使本发明的目的、
【发明内容】
和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明 作进一步的详细描述： 参见图1，图1所示为本发明系统结构示意图，本发明系统包括直流电源1，高频逆变机 构2，原边补偿机构3，电磁禪合机构4，副边切换机构5，整流滤波机构6，负载7，原边控制机 构8和副边控制机构9。
[0017] 所述的直流电源化n可由市电经整流滤波获得，也可直接使用直流电压进行供电。
[0018] 所述的高频逆变机构可选择半桥、全桥或推挽式逆变电路，本发明使用四只功率 开关管G1-G4组成H桥高