[發明專利]一種無線電能傳輸裝置

有效

• 申請號: 202011385655.7
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112491162B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 張博深;李煌;劉鑫;藍建宇;楊喜軍;唐厚君;高飛
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;上海空間電源研究所
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02M7/5387;H02M7/217
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 王愛濤

本發明涉及一種無線電能傳輸裝置，包括：直流穩壓電源、半橋逆變電路、磁耦合諧振電路、單管有源整流器、負載裝置、電流傳感器、電壓傳感器和控制器；單管有源整流器包括：第三開關管、二極管和第六電容；第三開關管的第一端分別與二極管的陽極和磁耦合諧振電路連接，二極管的陰極分別與第六電容的一端和負載裝置的一端連接，第三開關管的第三端分別與磁耦合諧振電路、第六電容的另一端和負載裝置的另一端連接；電流傳感器采集負載輸出電流；電壓傳感器采集負載輸出電壓；控制器根據負載輸出電流和負載輸出電壓控制第三開關管的工作狀態。本發明公開一套適用于小功率電氣設備充電場合的無線電能傳輸裝置，無需額外電路即可實現全工況的軟開關。

技術領域

本發明涉及無線電能傳輸技術領域，特別是涉及一種無線電能傳輸裝置。

背景技術

目前，大部分電氣設備都是通過電纜從電網中獲得電能，但這種物理連接方式存在“有線”的束縛，導致使用不便且受到應用場合限制。近年來，在無人駕駛、自動泊車、電動汽車等應用迅速發展的趨勢下，無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術得到了較多的關注。這項電力電子新技術具有使用便捷、環境適應度高的優點，可以克服傳統的導體接觸式電能傳輸帶來的火花、磨損、噪音等缺陷。WPT技術根據傳輸機理可以分為電磁輻射式、電場耦合式、磁場耦合式等。電磁輻射式利用遠場傳輸電能，效率較低，而電場耦合式和磁場耦合式則是利用近場實現電能傳輸，效率較高，其中電場對生物體危害較大，因此基于線圈的磁場耦合式無線電能傳輸是WPT技術的主流方案。

一種應用廣泛的無線電能傳輸系統是在原副邊均使用全橋電路，該拓撲結構完備且具備等效負載變換能力，通過對原副邊驅動信號移相角的控制，實現恒壓、恒流、恒功率等傳輸特性，并可通過改變副邊等效到原邊后的等效負載，實現對最優效率的追蹤。在實際的無線電能傳輸系統中，充電裝置對參數變化和系統故障的容錯能力直接影響到裝置的可靠性和保護系統的復雜度。由于用電設備放置位置的不確定性，線圈之間的互感是系統中最易出現偏差的參數。在系統設計時，通常采用線圈完全對準時的參數，使得在互感降低乃至用電設備完全移開后，仍能保障系統安全。而互感降低的極端情況，等同于原邊線圈單獨工作的工況。另一方面，副邊短路的故障也是比較常見的嚴重故障之一，電池故障、變換器直通等都會造成這一情況。目前較好的方案是對諧振網絡的原副邊均采用LCC拓撲，其成本較高，體積較大。但是目前為止，得到的應用主要是面向大功率、高效率的電動汽車無線充電。

在上述方案下，工業界和學術界遇到的共同難點是原邊和副邊控制信號的同步問題。由于原邊和副邊是兩套獨立的控制系統，雖然數字信號處理器(Digital SignalProcessor,DSP)在高分辨率脈寬調制模式(High Resolution Pulse Width Modulator，HRPWM)下的頻率精度比較高，可以達到0.002％的頻率精度(TMS320F28335)，但由于系統自身工作頻率很高，100kHz的控制信號會在原邊和副邊產生2Hz的頻率偏差，這將導致諧振電壓間出現周期變化的相位差，輸出電流和輸出功率將出現周期振蕩現象，這對于需要為用電設備提供穩定電源的WPT系統來說是不能接受的。目前主要是通過引入外部時鐘或輔助設備等方法進行同步，成本較高且需要額外的信號調理電路，對硬件和控制算法的要求很高。

此外，為避免全橋電路同一橋臂的上、下功率開關直通，需要在驅動信號中加入死區時間，這可能會導致死區效應，增大開關損耗，影響電能質量和系統的穩定性。目前，解決死區問題的方法主要有三類：死區效應最小化控制、死區補償控制和無死區控制，其成本均較高。

隨著家庭智能終端、物聯網的普及，較小功率的電氣設備也對電能傳輸方式有了新的要求。對于小功率電氣設備的應用場合，需要在原拓撲的基礎上，在副邊再增加DC-DC變換器，同時也需要提供同步方法的硬件與配套軟件，以及解決死區問題的控制方法，從而增加系統的體積和成本，因此亟需對現有的系統拓撲和控制方法進行改進，使其更適用于家庭智能終端等設備的無線充電。

發明內容

基于此，本發明的目的是提供一種無線電能傳輸裝置，以實現對小功率電氣設備無線充電。