专利名称：一种非接触式的大功率能量传输系统及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非接触式的大功率能量传输系统及应用装置，系统的效率和稳定性可以满足实际应用的要求。
背景技术：
目前，工业生产中使用的电气设备通常采用接触的方式，通过插头直接与电网连接。这种电能传输模式容易产生接触火花、在一些比较特殊的环境下(譬如含有易燃易爆气体的厂矿、生产车间等)，接触电火花的存在可能给生产活动带来重大灾难。另外，在海洋船舶等应用场合，接触式的电气接触还容易由于潮湿等情况造成短路故障，极大降低了设备工作的稳定性和可靠性。对于非接触式的能量传输系统，通常采用电磁感应式的方式。但是，工业生产中电能传输功率通常达到几百瓦到几个千瓦，因此能量传递的效率和稳定性成为这项技术实际应用的关键因素。对于非接触式的能量变换系统，通常需要将初级回路的电流进行高频化，以此来提高系统的功率密度，减小器件体积，提高系统的传输效率。由于采用大功率的变换电路、开关器件等，这些都会导致系统的能量传递效率的降低。对于一般的非接触能量传输系统，初级回路到次级回路一般存在2 4级变换，设计较好的系统的效率一般也就在 70 80%之间，20 30%的电能会在系统中以热的形式耗散掉。这样的效率对于小功率的设备，如手机充电等还可以在实际应用中被接受。但是，对于几百瓦到几千瓦的大功率设备而言，这样的效率会造成大量的能源的浪费，并且大量的生热会造成系统的稳定性降低， 甚至烧毁器件和设备。对于大功率的非接触式能量传输系统，系统能量输出效率的降低主要有如下几个原因一、当系统的器件参数发生漂移或扰动时，或是负载发生变化时(如多个负载中的某个负载被加入或移除时)，这些都会造成系统的谐振频率发生变化，导致开关器件的开关频率与系统的谐振频率发生偏移，从原边传递到副边的能量迅速降低；二、由于开关器件的开启与关断存在一定的延迟，导致软开关控制的开关器件很难做到在谐振电压为零时关断，谐振电流为零时开启，造成在高频逆变电路中产生环流。通常环流的峰值为开关管中正常工作时的电流的几倍，造成开关器件的生热，最终导致器件或系统的失效。三、当系统处于待机状态时，为了实现负载加入或移除时系统能够自动开启或关闭，通常系统原边的主电路会处于工作状态。由于非接触电能传输系统中存在大量的电容和电感等储能器件，这样就会造成待机功耗高，对于大功率系统这个问题尤为突出，使系统处于待机状态时仍损耗大量的功率。四、开关器件自身存在固有的能耗损失，如IGBT或MOSFET等半导体功率器件，在其工作时自身就会有一定的功耗损失。这种损失通常不能通过系统的控制设计的优化来提高。
发明内容
针对上述大功率非接触式能量传输系统在应用中遇到的技术难题，本发明提出了一种能够实现大功率的非接触能量传输系统的设计方法，可以提升系统的效率和稳定性， 具有节能的显著特点，可以实现大功率非接触式能量传输系统的实用化。本发明的非接触式的能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换系统五部分。发射端包括发射端电路与发射线圈、控制电路和反馈电路；接收端包括接收端电路和接受线圈。发射端电路包括功率变换单元和逆变电路单元。功率变换单元接受整流后的直流输入，并与控制电路及逆变电路相连。当控制电路输出不同的PWM波形时，功率变换单元可以输出不同的直流电压。逆变电路与功率变换电路、主控制电路及谐振线圈相连。当控制电路输出不同的PWM控制信号时，逆变电路输出不同频率的谐振电压波形。原边和副边谐振线圈由一组电容、电阻和电感器件组成。当在谐振线圈中输入高频的交流电时，原边的发射线圈与副边的接受线圈通过感应电动势，透过空气磁路进行非接触式的能量传输。主控制电路为数字信号处理器(DSP)，具有数据处理、信号采样和保持、输出一定占空比的PWM波形等功能。DSP输出的控制信号经过放大和变换电路，输出给开关管的驱动电路，控制开关器件按照设定的频率进行开启和关断。反馈电路包括谐振线圈的输入电压和输出电流的采样电路。谐振电压采样后可以经过变换电路，输出固定频率的方波波形，可以获得谐振电路的频率信息。反馈电路所采集的电压和电流信号都可以输入到DSP中，与设定的参考值进行比较后输出调整后的控制信号。副边接收端电路主要包括整流滤波电路，功率变换电路，给负载输出电源。通常非接触式的能量传输系统可以支持多个负载，当负载发生变化时，原边需要及时调整系统的输出功率，以保证副边的所有负载的稳定工作。本发明的主电路功率变换单元的特征是当负载发生变化时，原边功率变换的输出调整是通过检测并反馈谐振线圈的谐振电流来实现的。其实现方式是反馈电路中包含谐振线圈电流的检测电路、变换电路和A/D转换电路，采样值输入到控制电路中。控制电路将采样电流值与参考值进行比较和运算，输出调整后的PWM波形，并经过变换电路后输出给功率变换单元。非接触式的能量传输系统在工作过程中，当受到内部或外部的扰动时，谐振频率会发生变化和漂移。为此，开关管的开关频率需要实时跟踪系统谐振频率的变化。另外，由于系统中的开关器件在开启和关断时存在一定的延时，当开关管不能在谐振电压为零时关断，在谐振电流为零时开启，会造成逆变电路单元中环流的产生，需要对开关管的驱动控制进行一定的相位补偿。本发明针对开关管开关频率与相位的控制方法的特征是当系统的谐振频率发生漂移时，控制电路通过检测发射线圈输入电压的频率变化，并据此调整开关管的开关频率以实现对系统谐振频率的跟随；控制电路通过对发射线圈内的环流进行实时采样，计算获得环流持续的时间，据此对开关管的驱动控制相位进行补偿，以实现软开关控制，即开关管在谐振电压为零时关断，在谐振电流为零时开启。其实现方式是反馈电路中包含原边线圈的谐振电压的检测电路、频率变换电路、A/D转换电路，采样值输入到控制电路中。控制电路将采样电流值与参考值进行比较和运算，输出频率和相位调整后的PWM波形，并经过变换电路和驱动电路控制逆变电路的输出。本发明的待机电路的特点是待机电路与主电路完全分离，并且可以通过继电器控制主电路的电源的开启和关闭。待机电路通过无线传感器实时侦测负载的存在，并据此自动开启或关闭主电路的输入电源。由于待机电路自身的功率非常小(通常小于1W)，这样就可以使系统在待机状态时的功率损耗非常低，大幅度降低待机功耗。具体的控制方法为当负载被移除时，系统通过检测逆变单元的直流输入电压的变化，使系统自动进入待机状态。 在待机状态时，待机电路能够通过无线传感器(例如无源的RFID读写器和电子标签)实时侦测负载的存在，通过控制继电器开启主电路的电源输入，系统自动进入工作状态。本发明的热能收集和转换单元包括集热器、热电材料和变换电路、热交换器等。循环利用的能量可以经过变换电路重新输入到原边功率变换单元，其特征是能量收集和变换单元可以直接与原边电路相连，将损耗的热能转化为电能重新输入到系统中，或是直接与负载进行能量交换，直接输出能量到负载。针对本发明的技术要点，提出两项优选实施例一是采用非接触式能量传输技术的井下矿灯充电平台装置；二是采用非接触式能量传输技术的热水器。采用非接触式的能量传输技术的井下矿灯充电平台包括发射装置、发射线圈、充电台面和包含接收线圈的矿灯负载等四部分。由一个发射装置控制多路发射线圈，可以同时给平台上的多个矿灯负载进行充电。当充电的矿灯数量发生变化时，系统能够自动调整输出的功率。采用非接触式能量传输技术的热水器可以实现彻底的水电分离，避免了漏电等造成的人身伤害。装置主要包括发射电路和发射线圈、绝缘介质、接收线圈和接收电路及加热器电阻丝。发射电路和发射线圈的主要发热器件与高效的集热器连接，通过绝缘性的高热导介质与热水器中的冷水进行热交换。这样既达到了冷却系统的效果，也可以将能量热交换到副边负载，提升系统的整体的能源利用率。通过参考附图的详细描述，将更容易了解和理解本发明的这些目的、优点和特征。
图1是非接触电能传输系统的组成框2是非接触式能量传输系统组成结构3是非接触式能量传输系统主电路工作原理4是原边线圈谐振电流实时采样电路原理5是非接触式能量传输系统功率变换单元控制流程6是原边线圈的谐振电压实时采样与频率变换电路原理7是开关管开关频率及相位控制流程8是非接触式能量传输系统待机电路原理9是系统从工作状态自动转入待机状态控制流程10是系统从待机状态自动转入工作状态控制流程11是采用非接触电能传输技术的井下矿灯充电平台图12是采用非接触电能传输技术的电热水器
具体实施例方式图1为本发明的非接触式的能量传输系统的组成框图，包括发射端1、接收端2、负载3、待机电路4、能量收集与转换单元5等五部分。发射端1产生高频电流通过空间磁场耦合的方式提供给次级回路的负载电力供应。待机电路4通过继电器控制主电路的电源的输入，并且能够实时侦测负载是否存在，据此自动启动或关断主电路电源。能量收集和变换单元5将在系统工作中产生的能量收集、经过电路变换或热交换到原边或副边，使损耗的能量可以重新使用，减少了能源损失。图2为非接触式能量传输系统组成结构图。发射端包括发射端电路与发射线圈、 控制电路和反馈电路，共同构成了主电路的反馈控制回路，用以控制原边与副边的能量传输能够稳定、高效的进行。接收端包括接收端电路和接受线圈。三相交流电11作为电源输入，经过整流滤波单元12，输入给发射端电路。发射端电路包括功率变换单元13和逆变电路单元14。功率变换单元13接受整流后的直流输入，并与控制电路17及逆变电路14相连。当控制电路17输出不同的PWM波形时，功率变换单元13可以输出不同的直流电压。逆变电路14与功率变换电路13、主控制电路17及原边谐振线圈15相连。当控制电路17输出不同的PWM控制信号时，逆变14电路输出不同频率的谐振电压波形。原边谐振线圈15和副边谐振线圈19由一组电容、电阻和电感器件组成。当在谐振线圈中输入高频的交流电时，原边的发射线圈与副边的接受线圈通过感应电动势，透过空气磁路进行非接触式的能量传输。主控制电路17通常为数字信号处理器(DSP)，具有数据处理、信号采样和保持、输出一定占空比的PWM波形等功能。通过DSP输出的控制信号经过放大和变换电路，输出给开关管的驱动电路，控制开关器件按照设定的频率进行开启和关断。反馈电路16包括谐振线圈的输出电流和输入电压的采样电路。谐振电压采样后可以经过变换电路，输出固定频率的方波波形，可以获得系统的谐振频率信息。反馈电路所采集的电压和电流信号都可以输入到DSP中，与设定的参考值进行比较后输出调整后的控制信号。副边接收端主要包括副边线圈19，整流滤波电路20，功率变换电路21，给负载22 输出电源。能量收集和变换单元包括热能收集23，热电转换M和变换电路25，系统在工作过程中产生的热能重新转化为电能，返回到系统中进行循环利用。热能收集23可以是高效的集热器，如铝合金或铜材料。系统中所有的生热元器件都与同一集热器相连。热电变换材料的工作原理是金属中的热电效应，即将两种材料组成圆环的两个接头置于不同的温度环境中，该环状导体中将产生电动势，这是热传导与电传导之间的两场耦合效应，亦称为温差发电效应。基于这些耦合效应，可用热电材料及器件实现热电之间的转换，把热能直接转换为电能；其中，广泛用于温度测量的热电偶是热电科学应用中最成功、最经典的例子。热电转换材料可以是经过掺杂的半导体材料，如碲化铋、碲化铅、硅锗合金等，也可以是具有“电子晶体声子玻璃”(PGEC)概念的材料，如方钴矿(Skutterudite)、 笼形化合物(Clathrates)等。当负载为加热器时，如电热水器、电水壶等，此时热能收集23的热量可以直接通过热能交换26，交换到负载端，提升了系统整体的能源利用率。换热器可以是空气或水介质的板式换热器，这类部件在工业生产中广泛应用。图3为非接触式能量传输系统的主电路原理图。原边主工作电路包括功率变换单元，逆变单元和谐振线圈。功率变换单元采用Buck变换器，IGBTO为开关管，Ll为滤波电容，Cl为电容，DO 为续流二极管。当控制电路发出PWM信号时，经过驱动隔离电路，驱动IGBTO开关管的开启和关断。当PWM信号的占空比不同时，Buck电路可以输出不同的电压。逆变电路单元采用全桥逆变器。Buck电路的直流电压输入与直流电感L2构成电流源作为逆变器的输入。由IGBTl, IGBT2, IGBT3, IGBT4和Dl, D2，D3，D4构成全桥式逆变器。IGBT1，IGBT2，IGBT3, IGBT4接收控制电路输出的PWM信号，按照控制信号开启或关断， 输出高频交流电到原边谐振线圈。原边谐振线圈主要由电容C2和电感线圈L3构成，通过谐振的磁场耦合与副边线圈进行能量的交换。副边谐振线圈主要由电感线圈L4和电容C2构成。副边谐振线圈接收原边谐振线圈传输的电能，经过全桥整流电路Zl和滤波电容C3，输出给负载R。图4为原边线圈谐振电流实时采样电路原理图。采样的谐振线圈电流Icheck经由电阻Rl，R2，R3，R4，R5和电容Cl，C2组成的电流采样电路输入到比较器U2。由电阻R6， R7，电容C3和比较器Ul构成的电路生成3. 3V比较电压，也输出给比较器U2。经过比较器 U2的调制，产生3. 3V的单向电流，输出给控制电路的A/D转换电路。图5为非接触式能量传输系统功率变换控制流程图。通常非接触式的能量传输系统可以支持多个负载，当负载发生变化时，原边需要及时调整系统的输出功率，以保证副边所有负载的稳定工作。本发明的主电路功率变换单元的特征是当负载发生变化时，原边功率变换的输出调整是通过检测并反馈谐振线圈的电流来实现的。控制流程如下谐振线圈电流的检测电路、变换电路和A/D转换电路，采样值输入到控制电路(数字信号处理器) 中。控制电路将采样电流值与参考值进行比较和计算误差。若误差为零时，重新进入下一个采样周期；当误差不为零时，采用PID算法计算调整后的PWM波形占空比，并经过变换电路后输出给Buck电路，输出调整后的谐振线圈输入直流电压。图6为原边线圈谐振电压实时采样与频率变换电路原理图。谐振电压采样点Ul 和U2经由电阻R1、R2、R3、R4、R5构成的谐振电压采样电路，输入到比较器Ul中，与预先设定的参考电压进行比较，输出同频率的方波。采样电路的输出进入控制电路的A/D转换电路，经过信号处理器的计算得到谐振频率。图7为开关管开关频率及相位控制流程图。非接触式的能量传输系统在工作过程中，当受到内部或外部的扰动时，谐振频率会发生变化和漂移。为此，开关管的开关频率需要实时跟踪系统谐振频率的变化。本发明针对开关管开关频率与相位的控制方法的特征是当系统的谐振频率发生漂移时，控制电路通过检测原边发射线圈输入电压的频率变化， 并据此调整开关管的开关频率以实现对系统谐振频率的跟随；控制电路通过对发射线圈内的环流进行实时采样，计算获得环流持续的时间，并据此对开关管的控制相位进行补偿，以实现软开关控制，即开关管在谐振电压为零时关断，在谐振电流为零时开启。其实现方式是反馈电路中包含原边线圈输入电压的检测电路、频率变换电路、环流检测电路、A/D转换电路，采样值输入到控制电路中。系统首先设置控制标志位为0。控制电路将采样频率值与开关管开关频率进行比较，计算比较误差。如果误差不为零时，设置控制标志位为1。如果误差为零时，进一步判断系统是否存在环流。如果系统计算并判断环流持续的时间不为零时，设置控制标志位为1，反之进行下一步的处理。如果标志位为1，则说明开关管的开关频率和相位需要调整，控制电路计算并输出频率和相位调整后的PWM波形，并经过变换电路和驱动电路控制逆变电路的输出。如果标志位为0，则说明开关管的开关频率和相位勿需调整，直接进入下一个采样周期。图8为非接触式能量传输系统待机电路原理图。电阻Rl、R2、R3，电容Cl和比较器Ul共同组成了逆变电路的直流输入电压检测电路。如果逆变单元的直流输入电压低于设定的参考电压值时，比较器输出高电平信号给DSP，DSP判定系统的工作负载已经被移除或消失。DSP与待机电路相连接，发送讯息通知待机电路控制继电器切断主电路的电源输入，同时启动RFID读写器模块，系统进入待机状态。在待机状态，RFID读写器会实时侦测负载是否存在，并控制系统是否重新进入工作状态。本发明的待机电路的特点是待机电路与主电路完全分离，并且可以通过继电器控制主电路电源的输入。待机电路通过无线传感器(如RFID技术等)实时侦测负载的存在， 并据此自动开启或关闭主电路的输入电源。由于待机电路自身的功率非常小(通常小于 1W)，这样就可以使系统在待机状态时的功率损耗非常低，大幅度降低待机功耗。图9为系统从工作状态自动转入待机状态控制流程图。控制系统实时对逆变单元的直流输入电压进行周期采样，并与参考电压进行比较。当电压大于设定的参考值时，判定系统与负载的能量传输处于正常工作状态，自动进入下一个采样周期。如果电压会小于设定的参考电压值时，判定负载被移除和消失，此时输出一个控制脉冲给数字信号处理器。数字信号处理器与待机电路进行通讯，并输出控制讯息。待机电路会控制继电器切断主电路的电源输入，开启RFID读写器，系统自动进入待机工作状态，并实时侦测负载的存在。图10为系统从待机状态自动转入工作状态控制流程图。待机电路包含RFID读写器模块。在被识别的每一个设备上含有无源的RFID电子标签。RFID读写器模块按照设定的周期定期侦测是否有电子标签存在。如果没有读到电子标签，自动进入下一个读取周期。 当某一个周期内读取到电子标签时，待机电路会自动控制继电器打开主电路的电源输入， 系统自动进入工作状态，同时关闭RFID读写器模块。针对本发明的技术要点，提出两项优选实施例一是采用非接触式能量传输技术的井下矿灯充电平台装置；二是采用非接触式能量传输技术的热水器装置。图11为采用非接触电能传输系统的井下矿灯充电平台。在矿井中通常存在大量的易燃易爆气体，因此电气设备的安全尤为重要。矿工在下井之前会随身携带矿灯，用于井下照明。在从井下返回时会将矿灯重新充电，以备下次使用。因此，矿井的矿灯充电是一件非常繁琐，经常需要进行的事情。采用非接触式的能量传输系统可以同时为多个矿灯同时充电，并且不用插拔，而且不会产生电火花，大大提高了井下作业的安全性和便利性。本发明所涉及的非接触式的矿灯充电平台包括发射装置G)、发射线圈(3)、充电台面( 和包含接收线圈的矿灯负载(1)等四部分。由一个发射装置控制多路发射线圈(3)，可以同时给充电台面( 上的多个矿灯负载(1)进行充电。当充电的矿灯数量发生变化时，系统能够自动调整输出的功率。图12为采用非接触电能传输系统的电热水器。传统的电热水器非常容易出现漏电现象，当人在使用热水器洗澡时，由于热水器的加热棒由市电输入，经过水流、人体和大地形成的闭合的回路，非常容易造成人身的伤亡。因此，实现彻底的水电分离一直是热水器行业的难题。采用本发明的非接触式能量传输方式的热水器装置可以实现彻底的水电分离，避免了漏电等造成的人身伤害。装置主要包括发射线圈及电路(1)、绝缘介质O)、接收线圈和接收电路(3)及加热器电阻丝G)。由于绝缘介质(或是空气介质)的存在，就可以使接入热水器的加热管的电能由次级电路提供，这样就避免了人体与市电的直接接触，不会造成人身伤害。另外，由于热水器的功率一般要达到3 5KW，并且是纯粹的加热设备，可以利用本发明的系统和方法将系统的生热采集并热交换到热水器中的冷水中。发射电路的主要发热器件与高效的集热器连接，通过绝缘性的高热导介质( 与热水器中的冷水(6) 进行热交换。这样既达到了冷却系统的效果，也可以增加负载的能量输入，提高了整个设备的能源利用率。 以上描述为本发明的优选实施例，在不脱离本发明所附权利要求书中定义的发明精神和范围的情况下，可以对本发明的形式和细节作出更改和改变，将根据包含等效学说的专利法原则来解释。
权利要求
1.非接触式的能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换单元五部分，其特征是发射端电路通过实时检测原边谐振线圈电压及谐振电流的变化，并反馈控制开关管的开关频率、相位和输出电流，以实现原边向副边稳定、高效输出电能；待机电路与主电路分离，可以控制主电路的电源输入，并实时无线侦测负载的存在；能量收集和转换系统实现损耗能量的回收和重复利用，进一步提高系统的能源利用率。
2.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，其特征是当负载发生变化时，原边功率变换的输出调整是通过检测并反馈原边谐振线圈的电流来实现的。
3.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，其反馈电路中包含谐振线圈电流的检测电路、变换电路和A/D转换电路，其特征是采样值输入到控制电路中，控制电路将采样电流值与参考电流值进行比较和运算，输出调整后的PWM波形，并经过变换电路后输出给功率变换单元。
4.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，其反馈电路中包括谐振线圈电压的检测电路，其特征是当系统的谐振频率发生漂移时，控制电路通过实时检测系统的谐振频率的变化，并调整开关管的开关频率，实现开关管的开关频率与系统的谐振频率的跟随。
5.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，其反馈电路中包含原边线圈输入电压的检测电路、频率变换电路、A/D转换电路，其特征是采样值输入到控制电路中，控制电路将采样电流值与参考值进行比较和运算，输出频率调整后的PWM波形，并经过变换电路和驱动电路控制逆变电路的输出。
6.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，其反馈电路中包含环流检测的电路，其特征是当存在环流时，系统通过对开关管的开关电压的相位进行补偿，实现开关管在谐振电压为零时关断，电流为零时开启，消除环流造成的能量损耗。
7.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，其特征是待机电路为单独的电路，可以通过继电器控制主电路的电源输入；当负载被移除时，系统通过检测逆变单元的直流输入电压的变化，使系统自动进入待机状态；当负载加入时，待机电路能够通过无线传感器的方式，实时侦测到负载的存在，并自动开启主电路的电源输入，使主电路进入工作状态。
8.根据权利要求1所述的非接触式的能量传输系统，能量收集和变换单元包括集热器、热电材料和变换电路，其特征是循环利用的能量可以重新经过热电材料、变换电路输入到原边，或经过换热器直接与负载进行能量交换。
9.一种采用非接触式能量传输技术的井下矿灯充电平台装置，包括发射装置、发射线圈、充电平台、包含接收线圈的矿灯等四个部件，其特征是由一个发射装置控制多路发射线圈，可以同时给平台上的多个矿灯负载进行充电，当充电的矿灯数量发生变化时，系统能够自动调整输出的功率。
10.一种采用非接触式能量传输方式的热水器装置，包括发射电路和发射线圈、绝缘介质、接收线圈和接收电路及加热器电阻丝，其特征是发射电路的主要发热器件与高效的集热器连接，通过绝缘性的高热导介质与热水器中的冷水进行热交换。
全文摘要
本发明的非接触式大功率能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换单元等五部分。反馈电路通过检测原边谐振线圈电流和谐振频率的变化，调整开关管的开关频率，使其与系统的谐振频率保持一致；通过对开关管驱动电压进行适当的相位补偿，可以消除由于开关管关断延时造成的逆变电路中产生的环流。待机电路可以通过继电器完全切除主电路的电源。当负载移除时，电路可以自动进入待机状态。当负载进入时，待机电路可以无线侦测到负载的存在，并自动启动主电路进入工作状态。热能采集和转换系统，将在变换电路和开关电路中产生的热能，通过热电材料转化为可利用的电能，重新反馈到主电路的功率输入中，实现了能量的循环利用。
文档编号H02J17/00GK102157987SQ20111005433
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者韩丽 申请人:韩丽