[發明專利]一種寬范圍功率可調無線電能傳輸系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201610225229.4
• 申請日: 2016-04-12
• 公開（公告）號: CN105680577B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 夏晨陽;任思源;柳玉玲;張楊;王衛;谷志鵬;王恩同
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種無線電能傳輸系統及其控制方法，特別是一種寬范圍功率可調無線電能傳輸系統及其控制方法。

背景技術

近年，隨著無線電能傳輸技術理論研究的不斷深入，越來越多的團隊開始加入到這個大家庭中來。無線電能傳輸起源于十九世紀末期，首先由尼古拉·特斯拉提出，鑒于其所具有的安全、便利、適應環境能力強等優勢，以及可以解決某些特定場合的應用問題，而進入人們的視線，成為了當前電力電子領域的研究熱點。

無線電能傳輸系統主要分為電磁感應耦合式、磁共振耦合式、微波輻射式三種，其中，電磁感應耦合式電能傳輸系統由于其效率較高、結構簡單得到廣泛研究和應用。電磁感應耦合式無線電能傳輸系統利用原邊發射線圈中通入高頻交流電能產生高頻磁場，副邊拾取線圈通過電磁耦合方式從高頻磁場中獲取電能，實現原邊機構到副邊機構的物理隔離。

目前電磁感應耦合式無線電能傳輸系統都是利用高頻逆變裝置將直流電逆變成高頻交流方波，然后通過設計諧振補償網絡選取高頻交流方波中的高頻正弦基波，從而產生高頻磁場。但是，在滿足狄里赫利條件下，任意周期信號都可以展開成傅里葉級數，所以在逆變所產生的高頻交流方波中存在豐富的諧波資源，而面對這些諧波，我們通常采取濾除的方式去解決它們，這無疑降低了電源能量的利用率。

在無線電能傳輸系統功率方面，文獻《無線電能傳輸系統能量建模及其應用》提出了一種原邊能量注入式電磁感應耦合式無線電能傳輸系統輸出功率控制策略，該控制模式基于能量守恒原理，在等效負載理論與電磁感應耦合式無線電能傳輸系統反射阻抗計算的基礎上，通過對逆變器輸出功率與給定參考量的對比實現任意補償網絡拓撲的電磁感應耦合式無線電能傳輸系統輸出功率控制。文獻《非接觸供電移相控制系統建模研究》描述了電流型無接觸供電系統的一種移相控制策略，通過調整全橋逆變器橋臂直通時間控制傳輸功率。但這些功率調節方法中，往往要加入復雜的控制電路并配置相應算法，需要從原邊機構進行功率控制，而負載被連接在副邊機構中，由于電磁感應耦合式無線電能傳輸系統原、副邊機構的物理隔離，這使得副邊機構負載所需要的輸出功率信息很難傳輸到原邊機構中。而且這些功率調節方法中，都是利用基波進行功率調節，而沒有過從諧波利用的角度去考慮系統功率調節的想法。

發明內容

本發明的目的是要提供一種寬范圍功率可調無線電能傳輸系統及其控制方法，解決現有技術中副邊機構負載所需要的輸出功率信息很難傳輸到原邊機構中的問題，充分利用諧波能量，通過改變基波能量通路和諧波能量通路雙通路無線電能傳輸系統的工作模式，實現控制系統輸出功率的目的。

本發明的目的是這樣實現的：無線電能傳輸系統包括：直流電源、高頻逆變單元、基波能量通路、諧波能量通路、整流濾波單元、負載、原邊控制單元和副邊控制單元；直流電源為高頻逆變單元供電，原邊控制單元為高頻逆變單元的控制器；高頻逆變單元的輸出端同時與基波能量通路的輸入端和諧波能量通路的輸入端連接，基波能量通路的輸出端和諧波能量通路的輸出端分別與二個整流濾波單元輸入端連接，整流濾波單元的輸出端與負載連接，負載的反饋信號與副邊控制單元連接。

所述的高頻逆變單元：選用全橋逆變電路，基波能量通路與諧波能量通路并聯連接在高頻逆變單元的輸出端。

所述的基波能量通路：由基波能量發射線圈電感并聯基波原邊補償電容后串聯基波原邊補償電感組成LCL諧振補償結構，基波能量拾取線圈電感串聯基波副邊補償電容后再串聯一個基波雙向開關組成，基波能量發射線圈電感與基波能量拾取線圈電感采用松耦合磁路結構實現物理隔離；其中基波能量發射線圈電感與基波原邊補償電感的電感值相等，在系統基波工作角頻率ω處，基波能量發射線圈電感與基波原邊補償電容滿足諧振關系，基波能量拾取線圈電感與基波副邊補償電容滿足諧振關系，保證基波能量發射線圈電感上恒流。

所述的諧波能量通路：由諧波能量發射線圈電感并聯諧波原邊補償電容后串聯諧波原邊補償電感組成LCL諧振補償結構，諧波能量拾取線圈電感串聯諧波副邊補償電容后再串聯一個諧波雙向開關組成，諧波能量發射線圈電感與諧波能量拾取線圈電感采用松耦合磁路結構實現物理隔離；其中諧波能量發射線圈電感與諧波原邊補償電感的電感值相等，在系統n次諧波工作角頻率nω處，n＝3,5,7,9,……，諧波能量發射線圈電感與諧波原邊補償電容滿足諧振關系，諧波能量拾取線圈電感與諧波副邊補償電容滿足諧振關系，保證諧波能量發射線圈電感上恒流。