基于双边功率流控制的无线电能传输系统及其控制方法

摘要

本发明公开一种基于双边功率流控制的无线电能传输系统及其控制方法，其系统包括电源、原边变换电路、原边谐振电路、副边谐振电路、副边变换电路以及负载电路，其特征在于：原边电路设置有原边电流过零检测模块、原边控制逻辑电路以及原边驱动电路；副边电路设置有副边电流过零检测模块、副边控制逻辑电路以及副边驱动电路，在负载电路上还连接有比较器。其显著效果是：通过原边和副边分别设置的逻辑控制电路，根据负载电路反馈的误差信息实时控制系统中的功率流向，从而实现功率流快速调整，改善系统的动态响应，减小了系统谐振网络的能量，提高了能量的利用效率。

说明书

技术领域

本发明涉及到无线电能传输技术，具体地说，是一种基于双边功率流控制的无线电能传输系统及其控制方法。

背景技术

无线电能传输技术是基于电磁感应原理，以电磁场为媒介，利用现代电力电子变换技术、功率电磁场耦合技术和现代控制技术的一种新型、实用、灵活的供电技术。近年已来成为电力电子领域的研究热点之一，并在交通、医疗、石油开采和机器人等领域得到了广泛的应用。

在电力传输系统中，智能电网技术又是另一研究热点，为了缓解用电高峰的供电压力，人们提出了基于电动汽车的电网能量调节方案，将电动汽车融入智能电网，即在用电高峰期，电动车的车载电池为电网输出电能，而用电低谷期，电网为电动车补充能量，从而实现车载电池到电网的双向能量流动。

为了实现上述智能电网中车载电池到电网的双向能量流动，往往需要将电动汽车停靠在固定位置，利用导线将电动汽车的车载电池和电网连接才能实现能量传输，智能化程度低，实施过程比较复杂。

基于上述缺陷，有人提出利用无线电能传输技术实现车载电池与电网之间的能量交换，使得电动汽车的充放电过程无需任何导线插拔过程，提高了智能化程度。

但现有的无线电能传输系统通常只设计为单向能量传输，当用于驱动电动机类负载或者电池负载时，由于这类负载具有反电动势性质，根据其工作状态的不同，对系统的能量传输方向也会有特殊的要求。比如带电机负载时，刹车制动时，电机将工作于发电机模式，需要建立能量回馈通道以进行回馈制动，从而提高能量利用率；如果是电池负载，如果电池工作在能量输出模式，也需要能量回馈通道。针对上述需求，传统的无线电能传输系统将不再满足，需要一种具有双向能量流动特性的无线电能传输系统。

发明内容

为了满足上述需求，本发明提出一种基于双边功率流控制的无线电能传输系统及其控制方法，在能量传输过程中，能够根据原、副边的能量状态自动实现能量的双向流动，从而提高能量利用率。

为达到上述目的，本发明的所采用的技术方案如下：

一种基于双边功率流控制的无线电能传输系统，包括电源、原边变换电路、原边谐振电路、副边谐振电路、副边变换电路以及负载电路，其关键在于：

所述原边谐振电路上连接有原边电流过零检测模块，该原边电流过零检测模块的输出端与带有边沿触发的原边控制逻辑电路连接，该原边控制逻辑电路输出的控制信号经过原边驱动电路后控制所述原边变换电路工作；

所述副边谐振电路上连接有副边电流过零检测模块，该副边电流过零检测模块的输出端与带有边沿触发的副边控制逻辑电路连接，该副边控制逻辑电路输出的控制信号经过副边驱动电路后控制所述副边变换电路工作；

所述负载电路上连接有比较器，该比较器用于采集负载电路的电压值或电流值，并将其与参考电压值或参考电流值进行比较，该比较器的比较结果传送到所述原边控制逻辑电路和副边控制逻辑电路中。

由于在原边谐振网络和副边谐振网络中均设置逻辑控制电路，通过检测原边谐振电路的电流状态，副边谐振电路的电流状态以及负载电路的输出状态，可以判断原、副边的能量状况，通过原、副边的逻辑控制电路分别控制原边变换电路和副边变换电路的开关状态，即可改变能量的传输方向，从而实现双边功率控制以及双向能量传输。

作为进一步描述，所述原边变换电路由开关管S1和开关管S2组成，所述原边谐振电路由原边电容Cp和原边线圈Lp串联而成，开关管S1串接在电源的正极和原边电容Cp之间，开关管S2串接在电源的负极和原边电容Cp之间；

所述副边变换电路由开关管S3和开关管S4组成，所述副边谐振电路由副边电容Cs和副边线圈Ls串联而成，开关管S3串接在副边电容Cs和负载电路的低电平端，开关管S4串接在副边电容Cs和负载电路的高电平端。

能量正向传输时，开关管S1和S2轮流导通，将电源输入的直流电压转换为方波电压，驱动原边电容Cp和原边线圈Lp组成的原边谐振电路工作，在原边线圈Lp上产生高频交变电流，从而激发高频交变电磁场，副边线圈Ls上的感应电压经过副边电容Cs进行补偿后与原边谐振网络“共振”以实现无线能量传输，副边拾取到的能量经开关管S3和开关管S4同步整流后输出给负载电路。能量反向传输时，开关管S3和开关管S4工作于逆变状态，而开关管S1和开关管S2工作于同步整流状态，副边线圈Ls工作于能量发射状态，原边线圈Lp工作于能量拾取状态。

结合上述电路，原边控制逻辑电路和副边控制逻辑电路按照以下方式进行控制：

当i_p>0且e>0时，闭合开关管S1，断开开关管S2；

当i_p>0且e≤0时，断开开关管S1，闭合开关管S2；

当i_p≤0且e>0时，断开开关管S1，闭合开关管S2；

当i_p≤0且e≤0时，闭合开关管S1，断开开关管S2；

当i_s≤0且e≤0时，闭合开关管S4，断开开关管S3；

当i_s≤0且e>0时，断开开关管S4，闭合开关管S3；

当i_s＞0且e≤0时，断开开关管S4，闭合开关管S3；

当i_s>0且e>0时，闭合开关管S4，断开开关管S3；

其中i_p为原边谐振电流，i_s为副边谐振电流，e为比较器的比较结果。

由于原、副边之间的能量采用非接触式传输，不存在实质性的硬件连接关系，因此比较器的比较结果通过无线传输方式传送到原边控制逻辑电路中。

本发明的显著效果是：通过原边和副边分别设置的逻辑控制电路，根据负载电路反馈的误差信息实时控制系统中的功率流向，从而实现功率流快速调整，改善系统的动态响应，减小了系统谐振网络的能量，提高了能量的利用效率。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图；

图2是本发明的系统主电路图；

图3是原边谐振变换器的工作状态图；

图4是副边谐振变换器的工作状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于双边功率流控制的无线电能传输系统，包括电源1、原边变换电路2、原边谐振电路3、副边谐振电路4、副边变换电路5以及负载电路6，所述原边谐振电路3上连接有原边电流过零检测模块7，该原边电流过零检测模块7的输出端与带有边沿触发的原边控制逻辑电路8连接，该原边控制逻辑电路8输出的控制信号经过原边驱动电路9后控制所述原边变换电路2工作；

所述副边谐振电路4上连接有副边电流过零检测模块10，该副边电流过零检测模块10的输出端与带有边沿触发的副边控制逻辑电路11连接，该副边控制逻辑电路11输出的控制信号经过副边驱动电路12后控制所述副边变换电路5工作；

所述负载电路6上连接有比较器13，该比较器13用于采集负载电路6的电压值或电流值，并将其与参考电压值或参考电流值进行比较，该比较器13的比较结果传送到所述原边控制逻辑电路8和副边控制逻辑电路11中。

如图2所示，实施过程中，原边变换电路2由开关管S1和开关管S2组成，原边谐振电路3由原边电容Cp和原边线圈Lp串联而成，开关管S1串接在电源1的正极和原边电容Cp之间，开关管S2串接在电源1的负极和原边电容Cp之间；

所述副边变换电路5由开关管S3和开关管S4组成，所述副边谐振电路4副边谐振电路4由副边电容Cs和副边线圈Ls串联而成，开关管S3串接在副边电容Cs和负载电路6的低电平端，开关管S4串接在副边电容Cs和负载电路6的高电平端。

如图3所示，由于原边变换电路2由开关管S1和开关管S2组成，通过控制开关管S1和开关管S2的开关状态可以让原边谐振网络具有四种工作模式，分别为图（3a）所示的能量注入状态，图（3b）所示的能量回馈状态，图（3c）所示的正向自由振荡状态以及图（3d）所示的反向自由振荡状态。

同理，如图4所示，由于副边变换电路5由开关管S3和开关管S4组成，通过控制开关管S3和开关管S4的开关状态也可以让副边谐振网络具有四种工作模式，分别为图（4a）所示的能量输出状态，图（4b）所示的能量回馈状态，图（4c）所示的正向自由振荡状态以及图（4d）所示的反向自由振荡状态。

在控制过程中，原边控制逻辑电路8和副边控制逻辑电路11按照以下方式进行控制：

当i_p>0且e>0时，闭合开关管S1，断开开关管S2；

当i_p>0且e≤0时，断开开关管S1，闭合开关管S2；

当i_p≤0且e>0时，断开开关管S1，闭合开关管S2；

当i_p≤0且e≤0时，闭合开关管S1，断开开关管S2；

当i_s≤0且e≤0时，闭合开关管S4，断开开关管S3；

当i_s≤0且e>0时，断开开关管S4，闭合开关管S3；

当i_s＞0且e≤0时，断开开关管S4，闭合开关管S3；

当i_s＞0且e>0时，闭合开关管S4，断开开关管S3；

其中i_p为原边谐振电流，i_Ls为副边谐振电流，e为比较器13的比较结果。

上述控制方法的基本思路是：当输出能量偏大时，根据能量流方向，采用能量回馈或自由振荡模式，使系统谐振网络能量通过原边变换电路2回馈至电源1，而副边输出能量通过副边变换电路5回馈至谐振网络，从而使得输出电压（或电流）快速回落至参考电压值（或参考电流值）；当输出能量偏小时，根据能量流方向，采用能量注入或自由振荡方式，使电源1通过原边变换电路2对谐振网络注入能量，而副边变换电路5从谐振网络获取能量给负载电路6，使得输出电压（或电流）快速上升至参考电压值（或参考电流值）。

实施过程中，开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4可以选择双向导通的MOSFET管，在逻辑控制上可以采取开关管S1与开关管S2互补导通，开关管S3与开关管S4互补导通，所有开关管的反并联二极管均被开关管旁路，处于不工作状态。如果采用不具有双向导通特性的IGBT管作为开关管，则开关管S1在原边谐振变换器工作于能量回馈时，反向电流经S1的反并联二极管D1流回电源，此时S1可以不控制导通；开关管S2在原边谐振变换器工作于正向自由振荡状态时，正向电流经S2的反并联二极管D2续流，此时S2可以不控制导通；开关管S3在副边谐振变换器工作于反向自由振荡状态时，反向电流经S3的反并联二极管D3续流，此时S3可以不控制导通；开关管S4在副边谐振变换器工作于能量输出状态时，正向电流经S4的反并联二极管D4输出给负载，此时S4可以不控制导通。

由于原边控制逻辑电路8和副边控制逻辑电路11均是带有边沿触发的逻辑控制电路，从而保证系统的开关切换均发生在电流信号过零时刻，实现软开关切换，降低开关损耗。

由于原、副边之间的能量采用非接触式传输，不存在实质性的硬件连接关系，因此比较器13的比较结果通过无线传输方式传送到原边控制逻辑电路8中，对于比较器13的比较结果属于很单一的控制信号，现有的任意一种通信方式均可实现该信号的无线传输，该技术属于通信技术，本方案不再对其进行详细叙述。

尽管以上结构结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不限于上述具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的而不是限定性的，本领域的普通技术人员在发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以作出多种类似的表示，例如：将两个开关管组成的原边变换电路2或副边变换电路5替换为四个开关管组成的全桥电路来实现，或者采用不同的无线传输方案将比较器的比较结果传送到原边控制逻辑电路中等等，这样的变换均落入发明的保护范围之内。