Ac/ac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] 本发明设及一种AC/AC注入型感应禪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] 在感应禪合式无线能量传输系统中，发射端逆变器负责产生谐振网络线圈中所需 的高频交流电，为了满足谐振网络高频电流的要求，逆变器中开关管的工作频率一般要与 谐振频率相同，但随着工作频率的升高，开关管的开关损耗会导致整体传输效率的降低。为 此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，控制逆变器的 间歇性工作，使得逆变器不工作时谐振网络才W自由振荡的形式传递能量。运一工作方式 虽然可W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W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， 因此注入的能量会受到谐振网络W及接收端负载状况的影响。
[0003] 专利1:一种基于无线电能传输的类化C电路，申请号201510757137.6,该发明提供 一种基于无线电能传输的类化C电路，该电路利用将直流变成高频交流并同时完成软开关 驱动的类化C逆变驱动模块，在化C电路软开关驱动下完成无线电能传输任务。
[0004] 专利2:复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法，申请号201510691216.1，该发明 提供一种复合谐振式ECPT系统及其参数设计方法，利用化C谐振网络实现了系统的恒流输 出特性和禪合机构激励电压基本不受负载变化影响，并针对发射端谐振网络引起的逆变器 环流问题设计了谐波抑制电路。
[0005] 上述专利虽然利用特定结构谐振网络实现系统谐振电流稳定控制，但都需要逆变 器工作在高频情况下，对系统电路负担较重。一般情况下，常用的H桥式和推挽式逆变器拓 扑都只有单向阻断能力，因此输入只能为直流电源，而工业上应用感应禪合式无线能量传 输系统的场合都只能提供50/60HZ的工频交流电源，为此在感应禪合式无线能量传输系统 逆变器前端需要接入整流滤波模块，W提供稳定的直流电压输入。然而，由于工频交流电频 率较低，且电压幅值通常会大于220V，因此整流滤波模块里所使用的半导体器件和储能元 件的体积和功率等级都会较高，运样不仅给系统增加不小的体积和成本负担，还容易产生 电磁干扰，降低系统可靠性。另外采用传统不控整流其功率因数较低，而且需要整流和逆变 两级串联工作，效率较低。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种AC/AC注入型感应禪合式无线能 量传输装置。主要目的是通过对系统发射端拓扑的结构设计与控制，实现系统的脉冲式能 量注入功能，使系统W远低于谐振频率的开关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，提高系统无线能量传输效率，并利用双向反激储能单元工 作特性，使系统能够直接对交流输入电压进行能量采集，实现交流到交流的发射端能量转 移过程，优化系统体积与成本，增加可靠性，同时采用一级AC/AC变换器不仅可W实现单位 功率因数校正而且可W减低成本，提高系统效率。
[0007] 本发明的目的是运样实现的：
[0008] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪合式无线能量传输装置，其特征在于，包括双 向反激储能单元、能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端谐振单元；
[0009] 双向反激储能单元包括双向开关支路、变压器T;变压器T的原边线圈^和12分别与 在双向开关支路的两个支路串联；
[0010] 能量转移单元位于双向反激储能单元和高频谐振发射单元之间；
[0011] 交流电源向双向反激储能单元提供注入能量，双向反激储能单元与能量转移单元 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k的禪 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阻抗化供电。
[0012] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双 向反激储能单元的双向开关支路由开关管Si、二极管化和开关管S2、二极管化组成，所述变 压器T包括原边线圈^和12、副边线圈L3、磁忍;开关管Si连接在二极管化正极和地之间，开关 管S2连接在二极管化负极和地之间；变压器T原边线圈^和12串联，并分别连接在二极管化负 极、二极管化正极与交流电源一端之间，交流电源另一端与地相连;变压器T原边线圈^和12 通过变压器磁忍与副边线圈L3禪合传输能量。
[0013] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪合式无线能量传输装置，其特征在于，所述双 向反激储能单元，通过控制两个开关管Si和S2,输入电流经过功率因数校正，跟踪输入电压 相位，即与输入电压同相，并成正弦规律变化，装置所需传输的能量大小决定输入电流的幅 值。
[0014] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪合式无线能量传输装置，其特征在于，所述能 量转移单元包括二极管〇3、开关管S3 ;二极管化正极与变压器巧购线圈L3-端相连，二极管 化负极与开关管S3功率端相连。
[0015] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪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、发射补偿电容打、发射线圈电阻Rt;发射线圈Lt与发射线 圈电阻Rt串联，然后并联在发射补偿电容Ct两端。
[0016] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪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k、接收补偿电容Cr、整流模块、负载滤波电容Cl、负载阻抗化； 接收线圈以、接收补偿电容Cr组成并联谐振网络，并与整流模块和负载滤波电容Cl相并联， 最后接入负载阻抗化;发射线圈Lt与接收线圈k的禪合系数为K。
[0017] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪合式无线能量传输装置，其特征在于，根据系 统中开关状态的不同，电路工作过程具体包括五个模态，实现步骤如下：
[0018] 步骤A:开关管S2开通，S3关断，能量转移单元将双向反激储能单元和高频谐振发射 单元分隔，双向反激储能单元和高频谐振发射单元互相隔离，独立工作，双向反激储能单元 从交流电源收集能量对原边电感L2充电，与此同时，高频谐振发射单元中的能量W自由振 荡的形式向与之禪合的接收线圈以进行传递，此为模态1;
[0019] 步骤B:双向反激储能单元的控制器向开关管S2发出关断信号，然而为了保证变压 器T中储存的能量可W完全转移到高频谐振发射单元中，能量注入必须发生在高频谐振发 射单元中的补偿电容Ct电压过零且电流方向为图4(b)所示的时刻后，因此该模态下开关状 态不会有变化；
[0020] 步骤C:当符合模态2中所述能量注入条件时，首先将开关管S3开通，打开能量注入 通路，双向反激储能单元和高频谐振发射单元形成连接，变换器T中能量通过开关管S3注入 到高频谐振发射单元中，此为模态3;
[0021 ]步骤D:经过一个短暂延时确保开关管S3稳定导通后，将开关管S2关断，原边线圈L2 中储存的能量向副边线圈L3转移;能量转移完成后，副边线圈L3、发射线圈Lt、发射补偿电容 Ct构成谐振网络，并且副边线圈L3在半个谐振周期内完成放电，此为模态4;
[0022] 步骤E:副边线圈L3放电完毕后，开关管S3关断，双向反激储能单元和谐振网络重新 断开，注入的能量通过谐振网络传输到接收端，此为模态5，当开关管S2再次开通时，系统回 到模态1。
[0023] 本发明提出一种AC/AC注入型感应禪合式无线能量传输装置，其特征在于，所述的 系统五个工作模态，是交流电源输出为正时装置工作的五个模态，由于装置在交流电源输 出电压为正和为负时是完全对称的，因此当交流电源的输出为负时，开关管S2保持关断，开 关管Si执行如上所述的各步骤中开关管S2的动作来实现能量输出。
[0024] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列