一种宽范围功率可调无线电能传输系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线电能传输系统及其控制方法，特别是一种宽范围功率可调无 线电能传输系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年，随着无线电能传输技术理论研究的不断深入，越来越多的团队开始加入到 这个大家庭中来。无线电能传输起源于十九世纪末期，首先由尼古拉?特斯拉提出，鉴于其 所具有的安全、便利、适应环境能力强等优势，以及可以解决某些特定场合的应用问题，而 进入人们的视线，成为了当前电力电子领域的研究热点。
[0003] 无线电能传输系统主要分为电磁感应耦合式、磁共振耦合式、微波辐射式三种，其 中，电磁感应耦合式电能传输系统由于其效率较高、结构简单得到广泛研究和应用。电磁感 应耦合式无线电能传输系统利用原边发射线圈中通入高频交流电能产生高频磁场，副边拾 取线圈通过电磁耦合方式从高频磁场中获取电能，实现原边机构到副边机构的物理隔离。
[0004] 目前电磁感应耦合式无线电能传输系统都是利用高频逆变装置将直流电逆变成 高频交流方波，然后通过设计谐振补偿网络选取高频交流方波中的高频正弦基波，从而产 生高频磁场。但是，在满足狄里赫利条件下，任意周期信号都可以展开成傅里叶级数，所以 在逆变所产生的高频交流方波中存在丰富的谐波资源，而面对这些谐波，我们通常采取滤 除的方式去解决它们，这无疑降低了电源能量的利用率。
[0005] 在无线电能传输系统功率方面，文献《无线电能传输系统能量建模及其应用》提出 了一种原边能量注入式电磁感应耦合式无线电能传输系统输出功率控制策略，该控制模式 基于能量守恒原理，在等效负载理论与电磁感应耦合式无线电能传输系统反射阻抗计算的 基础上，通过对逆变器输出功率与给定参考量的对比实现任意补偿网络拓扑的电磁感应耦 合式无线电能传输系统输出功率控制。文献《非接触供电移相控制系统建模研究》描述了电 流型无接触供电系统的一种移相控制策略，通过调整全桥逆变器桥臂直通时间控制传输功 率。但这些功率调节方法中，往往要加入复杂的控制电路并配置相应算法，需要从原边机构 进行功率控制，而负载被连接在副边机构中，由于电磁感应親合式无线电能传输系统原、副 边机构的物理隔离，这使得副边机构负载所需要的输出功率信息很难传输到原边机构中。 而且这些功率调节方法中，都是利用基波进行功率调节，而没有过从谐波利用的角度去考 虑系统功率调节的想法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是要提供一种宽范围功率可调无线电能传输系统及其控制方法，解 决现有技术中副边机构负载所需要的输出功率信息很难传输到原边机构中的问题，充分利 用谐波能量，通过改变基波能量通路和谐波能量通路双通路无线电能传输系统的工作模 式，实现控制系统输出功率的目的。
[0007] 本发明的目的是这样实现的：无线电能传输系统包括:直流电源、高频逆变单元、 基波能量通路、谐波能量通路、整流滤波单元、负载、原边控制单元和副边控制单元;直流电 源为高频逆变单元供电，原边控制单元为高频逆变单元的控制器;高频逆变单元的输出端 同时与基波能量通路的输入端和谐波能量通路的输入端连接，基波能量通路的输出端和谐 波能量通路的输出端分别与二个整流滤波单元输入端连接，整流滤波单元的输出端与负载 连接，负载的反馈信号与副边控制单元连接。
[0008] 所述的高频逆变单元:选用全桥逆变电路，基波能量通路与谐波能量通路并联连 接在高频逆变单元的输出端。
[0009] 所述的基波能量通路：由基波能量发射线圈电感并联基波原边补偿电容后串联基 波原边补偿电感组成LCL谐振补偿结构，基波能量拾取线圈电感串联基波副边补偿电容后 再串联一个基波双向开关组成，基波能量发射线圈电感与基波能量拾取线圈电感采用松耦 合磁路结构实现物理隔离；其中基波能量发射线圈电感与基波原边补偿电感的电感值相 等，在系统基波工作角频率ω处，基波能量发射线圈电感与基波原边补偿电容满足谐振关 系，基波能量拾取线圈电感与基波副边补偿电容满足谐振关系，保证基波能量发射线圈电 感上恒流。
[0010] 所述的谐波能量通路：由谐波能量发射线圈电感并联谐波原边补偿电容后串联谐 波原边补偿电感组成LCL谐振补偿结构，谐波能量拾取线圈电感串联谐波副边补偿电容后 再串联一个谐波双向开关组成，谐波能量发射线圈电感与谐波能量拾取线圈电感采用松耦 合磁路结构实现物理隔离；其中谐波能量发射线圈电感与谐波原边补偿电感的电感值相 等，在系统η次谐波工作角频率η ω处，η = 3,5,7,9,……，谐波能量发射线圈电感与谐波原 边补偿电容满足谐振关系，谐波能量拾取线圈电感与谐波副边补偿电容满足谐振关系，保 证谐波能量发射线圈电感上恒流。
[0011]所述的整流滤波单元:包括二极管〇11、〇12、〇 13、〇14组成不可控整流电路后并联滤波 电容&形成基波整流滤波电路，连接在基波能量通路3输出端;二极管021、022、0 23、024组成不 可控整流电路后并联滤波电容(：2形成谐波整流滤波电路，连接在谐波能量通路输出端;然 后，基波整流滤波电路与谐波整流滤波电路串联后组成整流滤波单元，为负载供电。
[0012] 所述的原边控制单元：由原边控制器DSP23和原边驱动电路组成；原边控制器 DSP23的输出端与原边驱动电路的输入端连接，原边驱动电路的输出端对高频逆变单元实 施控制。
[0013]所述的副边控制单元：由功率检测电路、控制器DSP26和副边驱动电路组成； 功率检测电路的输出端与副边控制器DSP26的输入端连接，副边控制器DSP26的输出端与副 边驱动电路的输入端连接，副边驱动电路的输出端对基波双向开关与谐波双向开关实施控 制。
[0014] 所述的一种输出功率可调节的无线电能传输系统的控制方法如下：
[0015] (1)当基波双向开关5:开通、谐波双向开关52断开时，无线电能传输系统工作于基 波通道能量独立供电模式，系统输出功率为Pi;当基波双向开关Si断开、谐波双向开关S2开 通时，无线电能传输系统工作于谐波能量通道独立供电模式，系统输出功率为P 2;当基波双 向开关S1与谐波双向开*S2同时开通时，无线电能传输系统工作于基波能量通道与谐波能 量通道并行供电模式，系统输出功率为P3 ;当基波双向开关Sl与谐波双向开关S2同时关断 时，无线电能传输系统中无能量通路工作，系统输出功率为0;
[0016] (2)根据负载所需系统输出功率要求的不同，通过控制基波双向开关5:与谐波双 向开关S2在周期T内，基波双向开关Si单独开通时间Τι、谐波双向开关S2单独开通时间T2、基 波双向开关3:与谐波双向开关S2同时开通时间T3以及基波双向开关5:与谐波双向开关S 2同 时关断时间To的长短，来控制系统输出功率P=(Pi*T1+P2*T 2+P3*T3+0*TQ)/T的大小，其中0< T0、T1、T2、T3 < T，To+Ti+h+Ts = T，且PXPKP3，使系统输出功率0~P3宽范围内连续可调