一种感应耦合式电能量无线传输装置及传输方法
【专利摘要】本发明公开了一种感应耦合式电能量无线传输装置，提供一种能量注入过程与谐振过程分时进行的感应耦合电式电能量无线传输装置和传输方法。包括电源、控制电路、谐振槽、次级能量拾取模块；所述谐振槽由开关矩阵、谐振电容、电压传感器、电流传感器、松耦合变压器构成。工作时将一个能量传输周期分为三个模式：能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式；解决了目前感应耦合无线电能传输通用方法中电源变换器与谐振网络的工作频率必须一致的难题，无线能量传输装置可以在各种复杂工况下自适应谐振，实现大功率高效率的无线能量传输。
【专利说明】
一种感应耦合式电能量无线传输装置及传输方法
技术领域
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[0001]本发明涉及非接触供电领域，尤其适合于电动汽车、机器人、水下电能传输等不适合接触式的一种感应耦合式电能量无线传输装置及传输方法。
【背景技术】
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[0002]众所周知，电能量传输一般都是通过电导体接触紧固装置或者接触式插头从电网获取，但在一些特殊场合，通过电导体接触式的电能量传输可能会引起接触不良、过热燃烧等一些问题。为了解决特殊场合电能量传输，国内外提出了许多电能量无线传输的方法，如微波、激光、超声、电磁感应耦合(简称感应耦合)等无线电能传输方法。在这些方法中，感应耦合无线能量传输方式发展最快。感应耦合电能量无线传输是基于松耦合变压器原理，送往负载的电能先通过电源变换器转换成交流电，交流电的电能量通过松耦合变压器初级线圈产生交变磁场能量，交变磁场能量被耦合次级线圈，次级线圈将耦合到次边的交变磁场能量转换成电能量并送往负载。感应耦合电能量无线传输需首要解决传输效率低的问题。传输效率低导致了许多困难，如初级电能量无法全部传递到次级，遗留的能量必然要在初级滞留，滞留的能量一部分返回电源，一部分则产生强大的电应力或热影响初级电结构，结果造成传递功率、效率低，电路工作不稳定、不可靠。传输效率低的问题在理论层面可抽象为松耦合变压器漏感大、漏感数值受各种因素影响大的问题，表现的现象为无功功率大、不稳定。文南犬〈〈StabiIity and control of inductively coupled power transfersystems》(IEEE Proceedings-Electric Power Applicat1ns，2000，147(I)，pp:37-43)提出了在初级、次级加入谐振网络，消除无功功率的方法，解决了松耦合导致的诸多问题。但该方法的问题是工作时需要电源变换器的工作频率与谐振网络谐振频率一致(即处于谐振状态)，因此实际使用时常应为失谐而不能正常工作。为此，专利CN201310065865.1与〇吧01110283083.6提出了一种采用相控电容、专利0吧01310066463.3提出了一种采用可控电感分别进行谐振补偿跟踪的方法维持电源变换器与谐振网络的谐振频率一致，借此改善谐振网络失谐的问题，这种方法由于采用的补偿电容或补偿电感数量有限，只能在有限个频率范围进行谐振频率补偿跟踪，因此无法真正解决电源变换器与谐振网络谐振频率工作频率必须一致的难题;文献《感应电能传输系统能量注入控制方法研究》(电子科技大学学报，Vol.40N0.1，2011年I月，pp: 69-72)提出了一种将电源变换器与谐振网络之间的工作配合过程分为能量注入与自由谐振两个阶段的方法，这个方法虽然能够改善电路设计分析过程中数学模型的复杂程度和为能量控制策略提供一种新的方法，但为了保证电路工作时的软开关条件，电源变换器与谐振网络的工作频率依然必须保持一致。总之，虽然有许多有益的措施进行了系统谐振补偿或者控制策略改变，但由于没有将电源变换器与谐振网络完全解耦，电源变换器工作频率必须与谐振网络的谐振频率保持一致的约束并没得到解决，因此，由于实际的电能量无线传输环境各种变动因素复杂，上述的方法实际应用效果并不理雄
V QjN O
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种能量注入过程与谐振过程分时进行的感应耦合电式电能量无线传输装置。
[0004]本发明的另一个目的在于提供一种感应耦合式电能量无线传输装置的传输方法，与目前感应耦合式电能量无线传输的方法不同，该传输方法将一个能量传输周期分为能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式三个模式，实现大功率高效率的电能量传输。
[0005]一种感应耦合式电能量无线传输装置，包括电源、控制电路、谐振槽、次级能量拾取模块;所述谐振槽由开关矩阵、谐振电容、电压传感器、电流传感器、松耦合变压器构成；所述次级能量拾取模块中安装有电压传感器和电流传感器;所述控制电路的输入端分别与电压传感器、电流传感器、电压传感器、电流传感器连接，所述控制电路的输出端与开关矩阵连接;所述电源的两个端口分别连接到两个开关矩阵的一个选通端，所述谐振电容的两条引线分别连接到两个开关矩阵的另一个选通端;所述松耦合变压器由初级线圈和次级线圈构成，所述初级线圈的两条引线分别连接到两个开关矩阵的公共端，所述次级线圈的两条引线分别连接到所述次级能量拾取模块的两个输入端;所述电压传感器和电流传感器用于实时检测谐振槽的工作参数，并将检测结果送往控制电路;所述电压传感器和电流传感器用于实时检测次级能量拾取模块的工作参数，并将检测结果送往控制电路;所述控制电路依据上述检测结果对所述开关矩阵进行控制，实现能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式的软开关转换。
[0006]所述能量注入模式为:控制电路控制开关矩阵将初级线圈连接到电源上，电源向初级线圈注入能量，通过松耦合变压器的耦合，一部分能量耦合到次级线圈，并由能量拾取模块接收，完成无线能量传递。能量注入模式的等效电路如(图2a)，用变压器T型等效模型将松耦合变压器次级线圈以及后接的次级能量拾取模块等效到初级，等效电路包括:电源、初级漏感、互感、次级漏感、等效负载电阻。
[0007]所述自适应谐振模式为:控制电路控制开关矩阵将初级线圈连接到谐振电容上，谐振槽以谐振电容参数、初级线圈参数、松耦合变压器次级反射到初级的等效参数为特征产生谐振，谐振过程中能量继续通过松耦合变压器耦合到次级，由能量拾取模块接收，完成无线能量传输。自适应谐振模式的等效电路如(图2b)，谐振槽内的谐振电容与初级线圈形成并联谐振结构，等效电路包括:谐振电容、初级漏感、互感、次级漏感、等效负载电阻。
[0008]所述关断模式为:控制电路控制初级线圈既不与电源连接、也不与谐振电容连接，形成空断状态，谐振槽中残存的能量以电场能量形式存储在谐振电容中，松耦合变压器没有进行能量耦合，次级没有获得能量。根据实际实施情况，关断模式可以不用。
[0009]所述谐振槽内的电压传感器、电流传感器根据实施情况安装，用于采集谐振槽内工作参数，采集到的参数送往控制电路。电压传感器可采集谐振电容两端的电压参数，也可采集其它能反映谐振槽工作状况的其它部件的电压参数，实际安装数量根据实施情况确定；电流传感器可采集流经初级线圈的电流参数，也可采集其它能反映谐振槽工作状况的其它部件的电流参数，实际安装数量根据实施情况确定。
[0010]所述次级能量拾取模块内的电压传感器、电流传感器根据实施情况安装，用于采集次级能量拾取模块内的工作参数，采集到的参数送往控制电路。电压传感器可采集松耦合变压器次级线圈两端电压参数，也可采集其它能反映次级能量拾取模块工作状况的其它部件的电压参数，实际安装数量根据实施情况确定；电流传感器可采集流经次级线圈的电流参数，也可采集其它能反映次级能量拾取模块工作状况的其它部件的电流参数，实际安装数量根据实施情况确定。
[0011 ] 所述控制电路由程序处理器及相关电路构成，与电压传感器、电流传感器连接，接收由它们传送过来的体现谐振槽工作状态的信号;与电压传感器、电流传感器连接，接收由它们传送过来的体现次级能量拾取模块工作状态的信号；与开关矩阵连接，根据谐振槽以及次及能量拾取模块的工作状态，同时根据预先设定好的程序控制策略，控制开关矩阵将电路分别连接成能量注入模式、自适应谐振模式以及关断模式;控制能量注入模式、自适应谐振模式与关断模式之间的时长比可此控制输出功率的大小。(图3)表示流过松耦合变压器中初级线圈的电流的波形，通过(图3)可描述能量注入模式、自适应谐振模式以及关断模式。
[0012]所述能量注入模式为电源向谐振槽注入能量，具体可体现在电源通过开关矩阵的切换连接到松耦合变压器的初级线圈，等效电路如(图2a)，初级线圈电流增加、松耦合变压器磁场能量增加，通过磁感应耦合，一部分能量传递到次级线圈，通过次级线圈传递给次级能量拾取模块，流经初级线圈的电流解析式可通过(图2a)推导，其波形如(图3)中tO-tl时间段表示。
[0013]所述自适应谐振模式为存储在谐振槽内的能量在谐振电容与松耦合变压器之间形成自适应谐振，自适应谐振过程中，松耦合变压器通过磁场耦合继续向次级线圈传递磁场能量；自适应谐振模式具体体现在当能量注入模式结束时，通过开关矩阵的切换，松耦合变压器的初级线圈退出与电源的连接，转接到谐振电容，其等效电路如(图2b)，此时松耦合变压器具有最大的磁场能量;在能量注入模式结束、自适应谐振模式开始时，初级线圈的电流由电源端被换流到谐振电容中，形成谐振，谐振频率可通过(图2b)计算获得，流经初级线圈的电流解析式可通过(图2b)推导，其波形如(图3)中tl-t2时间段所示。
[0014]所述关断模式为谐振槽停止工作，此时初级线圈电流为0，能量停止向次级耦合，谐振槽中剩余能量以电场能量形式存在谐振电容中或送回电源。具体体现在开关矩阵既没有把初级线圈连接到电源上、也没有连接到谐振电容上，流经初级线圈电流为0，波形如(图3)中t2-t0时间段所示。根据实施情况，关断模式可以取消，只剩下能量注入模式与自适应谐振模式。
[0015]本发明将电源变换器与谐振回路彻底解耦，工作过程分为能量注入、自适应谐振以及关断三个模式，工作中未传递到次级的能量不必返回电源变换器，而是留在在谐振回路中自适应谐振振荡，继续耦合到次级;装置的工作分为三个主要模式:能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式;通过调节三个模式的时长比可调节传递到次级的功率大小，根据需要，关断模式可以取消，只剩下能量注入模式与自适应谐振模式。
[0016]本发明传输方法实际上将电源变换器降格为普通供电电源，能量注入过程与谐振过程是各自独立进行，且谐振过程谐振频率顺应初次级等效参数牵引，即自适应谐振、不必考虑与电源供电频率一致，因此本发明与现有感应耦合式电能量无线传输方法最大不同点在于:(I)驱动电源只在能量注入模式参与工作，向能量传输装置注入能量，当能量注入模式结束后就停止输出电能量，不会影响后面的工作模式；(2)自适应谐振模式中，自适应谐振过程是基于谐振回路实时参数自适应实现的，即谐振频率取决于当时的电路参数、不与驱动电源发生关系，不存在电源变换器与谐振回路之间必须保持谐振的需要，彻底摆脱了它们之间必须保持谐振频率一致的约束，解决了困扰目前感应耦合电能量无线传输方法由于在实际工作中因各种原因导致参数变化而引起失谐最终导致系统不能正常工作的关键问题。
[0017]本发明的技术创新在于通过将能量注入过程与谐振过程分时进行，电源与谐振网络彻底解耦，解决了目前感应耦合无线电能传输通用方法中电源变换器与谐振网络的工作频率必须一致的难题，无线能量传输装置可以在各种复杂工况下自适应谐振，实现大功率高效率的无线能量传输。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例的原理不意图。
[0019]图2a?b为本发明等效电路示意图。
[0020]图3为本发明初级线圈351电流时域波形示意图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本发明做进一步的说明；参见图1?3所示，本发明一种感应耦合式电能量无线传输装置由电源1、控制电路2、谐振槽3、次级能量拾取模块4组成;谐振槽3是本发明的核心部分，由开关矩阵31、谐振电容32、电压传感器33、电流传感器34、松親合变压器35构成，松耦合变压器35由初级线圈351、次级线圈352构成，次级能量拾取模块4由目前感应耦合无线电能传输技术中采用的各种次级能量拾取结构构成，其中设置有电压传感器41、电流传感器42。电源I的两个端口分别连接到谐振槽3内的两个开关矩阵31的一个选通端，谐振槽3内的谐振电容32的两条引线分别连接两个开关矩阵31的另一个选通端，谐振槽3内松耦合变压器35内的初级线圈351的两条引线分别连接到两个开关矩阵31的公共端，次级线圈352的两端连接到次级能量拾取模块4的两个输入端;控制电路2输入端与电压传感器32、电流传感器33、电压传感器41、电流传感器42连接，输出端与开关矩阵31连接。
[0022]松耦合变压器35由初级线圈351、次级线圈352构成。当本发明装置处于能量注入模式或自适应谐振模式期间，初级线圈351中的磁场能量通过磁感应耦合到次级线圈352，次级线圈352将耦合得到的磁场能量转换成电流送往次级能量拾取模块4，完成无线能量传输。
[0023]开关矩阵31由不少于I个的IGBT开关管或MOSEFT开关管组成，构成由一个公共端、两个选通端的3端开关器件(根据具体应用例也可简化为两端开关器件)，其作用是根据控制电路2提供的开关信号将初级线圈351连接到电源1(对应能量注入模式)或连接到谐振电容32(对应自适应谐振模式)或开断状态(对应开断模式)。当初级线圈351与电源I连接时，装置进入能量注入模式，能量注入模式的等效电路如(图2a)，用变压器T型等效模型将松耦合变压器35次级线圈352以及后接的次级能量拾取模块4等效到初级，(图2a)等效电路包包括:电源1、初级漏感3511、互感3512、次级漏感3513、等效负载电阻3514;电源I向谐振槽3注入能量，其等效电路如(图2a)所示，初级线圈351电流增加，电流波形如(图3)中t0_t I时间段所示，谐振槽磁场能量增加，磁场能量通过磁感应耦合传递到次级线圈352，次级线圈352将磁场能量转换为电流送往次级能量拾取模块4，完成电能量无线传输；当初级线圈351与谐振电容连接时，装置进入自适应谐振模式，自适应谐振模式的等效电路如(图2b)，谐振槽内的谐振电容32与初级线圈351形成并联谐振结构，(图2b)等效电路包括:谐振电容32、初级漏感3511、互感3512、次级漏感3513、等效负载电阻3514;初级线圈351的电流从电源I换流到谐振电容32，形成自适应谐振，其等效电路如(图2b)所示，初级线圈351电流以幅值衰减正弦波的形式变化，电流波形如(图3)中tl-t2时间段所示，此时间段内能量继续通过磁感应耦合传递到次级线圈352，次级线圈352将磁场能量转换为电流送往次级能量拾取模块4，完成电能量无线传输;当初级线圈351既不与电源I连接、也不与谐振电容32连接，装置进入关断模式，此时初级线圈351没有电流流过，谐振槽3内磁场能量为O、剩余能量以电场形式存在谐振电容32中，此阶段没有能量向次级传送。
[0024]参见图1所示，谐振槽3内设有电压传感器33、电流传感器34，用于检测谐振槽3的工作状态。电压传感器可并联到谐振电容32两端检测谐振电容电压，也可连接到其它元件检测能体现谐振槽3工作状态的电压信号。电流传感器34可串联在初级线圈351检测电流，也可连接到其它元件检测能体现谐振槽3工作状态的电流信号。电压传感器31和电流传感器32的输出传送给控制电路2接收。
[0025]参见图1所示，次级能量拾取模块4内设有电压传感器41、电流传感器42，用于检测次级能量拾取模块4的工作状态。电压传感器41可并接到次级线圈352两端检测其端电压，也可并接到其它元件，用以检测能体现次级能量拾取模块4工作状态的电压信号。电流传感器42可串联在次级线圈352检测其流过的电流，也可串联在其它元器件上，用以检测能体现次级能量拾取模块4工作状态的电流信号。电压传感器41和电流传感器42的输出传送给控制电路2接收。
[0026]参见图1所示，控制电路2接收由安装在谐振槽3内的电压传感器33、电流传感器34的信号;接收由安装在次级能量拾取模块4内的电压传感器41、电流传感器42的信号。控制电路2根据接收到的这些信号，经判断规划，形成控制信号送往开关矩阵31，通过开关矩阵31的切换，使装置能正确的工作在能量注入模式、自适应谐振模式或者是关断模式。
[0027]本发明将电源变换器与谐振回路彻底解耦，与目前感应耦合式电能量无线传输的方法不同，工作过程分为能量注入、自适应谐振以及关断三个模式，工作中未传递到次级的能量不必返回电源变换器，而是留在在谐振回路中自适应谐振振荡，继续耦合到次级。在本发明中，装置的工作分为三个主要模式:能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式。通过调节三个模式的时长比可调节传递到次级的功率大小，根据需要，关断模式可以取消，只剩下能量注入模式与自适应谐振模式。由于本方法实际上将电源变换器降格为普通供电电源，能量注入过程与谐振过程是各自独立进行，且谐振过程谐振频率顺应初次级等效参数牵弓I，即自适应谐振、不必考虑与电源供电频率一致，因此本发明与现有感应耦合式电能量无线传输方法最大不同点在于:(I)驱动电源只在能量注入模式参与工作，向能量传输装置注入能量，当能量注入模式结束后就停止输出电能量，不会影响后面的工作模式；(2)自适应谐振模式中，自适应谐振过程是基于谐振回路实时参数自适应实现的，即谐振频率取决于当时的电路参数、不与驱动电源发生关系，不存在电源变换器与谐振回路之间必须保持谐振的需要，彻底摆脱了它们之间必须保持谐振频率一致的约束，解决了困扰目前感应耦合电能量无线传输方法由于在实际工作中因各种原因导致参数变化而引起失谐最终导致系统不能正常工作的关键问题。
[0028]本发明的技术创新在于通过将能量注入过程与谐振过程分时进行，电源与谐振网络彻底解耦，解决了目前感应耦合无线电能传输通用方法中电源变换器与谐振网络的工作频率必须一致的难题，无线能量传输装置可以在各种复杂工况下自适应谐振，实现大功率高效率的无线能量传输。
【主权项】
1.一种感应耦合式电能量无线传输装置，其特征在于:包括电源(I)、控制电路(2)、谐振槽(3)、次级能量拾取模块(4);所述谐振槽(3)由开关矩阵(31)、谐振电容(32)、电压传感器(33)、电流传感器(34)、松耦合变压器(35)构成;所述次级能量拾取模块(4)中安装有电压传感器(41)和电流传感器(42);所述控制电路(2)的输入端分别与电压传感器(33)、电流传感器(34)、电压传感器(41)、电流传感器(42)连接，所述控制电路(2)的输出端与开关矩阵(31)连接;所述电源(I)的两个端口分别连接到两个开关矩阵(31)的一个选通端，所述谐振电容(32)的两条引线分别连接到两个开关矩阵(31)的另一个选通端;所述松耦合变压器(35)由初级线圈(351)和次级线圈(352)构成，所述初级线圈(351)的两条引线分别连接到两个开关矩阵(31)的公共端，所述次级线圈(352)的两条引线分别连接到所述次级能量拾取模块(4)的两个输入端;所述电压传感器(33)和电流传感器(34)用于实时检测谐振槽(3)的工作参数，并将检测结果送往控制电路(2);所述电压传感器(41)和电流传感器(42)用于实时检测次级能量拾取模块(4)的工作参数，并将检测结果送往控制电路(2);所述控制电路(2)依据上述检测结果对所述开关矩阵(31)进行控制，实现能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式的软开关转换。2.根据权利要求1所述的一种感应耦合式电能量无线传输装置，其特征在于:所述开关矩阵(31)至少包括I个电子开关，所述电子开关为晶体管、场效应管或IGBT管。3.—种基于权利要求1或2所述的装置进行电能量无线传输的方法，其特征在于:工作时将一个能量传输周期分为三个模式:能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式； 1)能量注入模式:控制电路(2)控制开关矩阵(31)将初级线圈(351)连接到电源(I)上，电源(I)向初级线圈(351)注入能量，通过松耦合变压器(35)的耦合，一部分能量耦合到次级线圈(352)，并由能量拾取模块(4)接收，完成无线能量传递； 2)自适应谐振模式:控制电路(2)控制开关矩阵(31)将初级线圈(351)连接到谐振电容(32)上，谐振槽(3)以谐振电容(32)参数、初级线圈(351)参数、松耦合变压器(35)次级反射到初级的等效参数为特征产生谐振，谐振过程中能量继续通过松耦合变压器(35)耦合到次级，由能量拾取模块(4)接收，完成无线能量传输； 3)关断模式:控制电路(2)控制初级线圈(351)既不与电源(I)连接、也不与谐振电容(32)连接，形成空断状态，谐振槽(3)中残存的能量以电场能量形式存储在谐振电容(32)中，松耦合变压器(35)没有进行能量耦合，次级没有获得能量。4.根据权利要求3所述的一种电能量无线传输的方法，其特征在于:所述控制电路(2)根据所需传输功率的大小确定能量注入模式的时间长度，通过调节能量注入模式、自适应谐振模式、关断模式维持时间的比例进行传输能量的控制。5.根据权利要求3所述的一种电能量无线传输的方法，其特征在于:不同工作模式之间的过渡由控制电路(2)进行控制，控制电路(2)接收电压传感器(33)和(41)、电流传感器(34)和(42)的输出信号，根据接收到的信号判断，进行非线性规划，控制开关矩阵(31)合理切换，实现不同模式之间的软开关切换。
【文档编号】H02J50/12GK105827021SQ201610311285
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】陈文芗
【申请人】陈文芗