一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统及其控制方法，该系统包括直流电源、高频逆变机构、原边补偿机构、电磁耦合机构、副边切换机构、高频整流机构、负载、原边控制机构和副边控制机构；其特征在于：根据负载所需供电电源特性或功率效率输出要求的不同，通过控制副边切换机构中双向开关的开通和关断进行拓扑结构切换，系统可分别工作在恒流输出、恒压输出以及高功率高效率输出三种工作模式。优点：该系统可以根据负载供电所需电源特性或功率效率输出要求，灵活的切换系统工作模式从而满足各种类型负载的供电要求，有效克服了单一谐振补偿拓扑的限制，拓宽了系统应用场合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的无线电能传输系统，具体涉及一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统及其控制方法。

背景技术

鉴于无线电能传输技术所具有的安全、便利、适应环境能力强等优势，成为了目前电力电子领域的热门研究课题，其理论体系也在不断的发展与完善。其中电磁感应式无线电能传输技术发展最为迅速，应用也最为广泛，它利用高频磁场在磁路机构中传输能量，从而实现原边发射端与副边拾取端的物理隔离。

可见，无线电能传输系统的磁路机构是无线电能传输技术的核心，其耦合系数的大小也直接影响整个无线电能传输系统的输出电压、输出功率及传输效率等特性。而磁路机构中分离的原边发射端与副边拾取端是一种松耦合磁路结构，具有漏感大，激磁电感小，耦合系数小等缺点，因此为了实现系统能量传输的最大化，减小整个系统的无功功率，一般需要对原副边线圈电感进行补偿，因此无线电能传输系统的谐振补偿方式成为了无线电能传输技术的研究重点。

目前，常见的无线电能传输系统谐振补偿拓扑由原副边的补偿结构不同可分为四种基本补偿拓扑，分别为：串/串补偿（SS）拓扑，串/并补偿（SP）拓扑，并/串补偿（PS）拓扑，并/并补偿（PP）拓扑，除以上四种基本补偿拓扑以外，还有LCL、LCC、SSP等新型拓扑拓扑。这些补偿拓扑都有各自的特点与优势，需要根据应用环境的不同选取一种最适合的补偿拓扑。

纵观上述的各种谐振补偿拓扑，LCL补偿拓扑由于其可以通过参数设计使原边导轨恒流，故被广泛应用在无线电能传输系统的原边谐振补偿结构，而S或P补偿拓扑由于其结构简单、储能元件少，所以常被用作无线电能传输系统的副边谐振补偿结构。而LCL-S与LCL-P两种补偿结构所构成的无线电能传输系统表现出的特性大不相同，其中LCL-S系统适合用于需要恒压源供电的负载，而LCL-P系统适合用于需要恒流源供电的负载。或者当负载值较小时，LCL-S系统的输出功率和传输效率较LCL-P系统更高，而当负载值较大时，LCL-P系统的输出功率和传输效率较LCL-S系统更有优势。所以当负载所需供电电源特性或功率效率输出要求不同时，单一谐振补偿拓扑的无线电能传输系统就不能满足其应用场合，目前国内外也没有能够改善这一情况的研究发明。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统及其控制方法，可以根据负载供电所需电源特性或功率效率输出要求，灵活的切换系统工作模式为其提供电能，有效的优化其功率及效率，使系统工作在高功率高效率状态，从而满足各种类型负载的供电要求，有效克服了单一谐振补偿拓扑的限制，拓宽了系统应用场合。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统，其特征是：该系统包括直流电源、高频逆变机构、原边补偿机构、电磁耦合机构、副边切换机构、高频整流机构、负载、原边控制机构和副边控制机构；其中直流电源由市电经整流滤波获得；高频逆变机构可选择半桥、全桥或推挽式逆变电路；原边补偿机构选用LCL补偿拓扑；电磁耦合机构为松耦合磁路结构；原边控制机构由原边控制器和驱动电路构成，副边控制机构由检测模块、副边控制器、驱动电路构成，其中原边控制器及副边控制器可选用DSP、FPGA、ARM单片机等，检测模块与系统输出端相连，可检测负载值的大小，驱动电路由光耦隔离和功率放大两部分电路构成。

所述的一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统，其特征在于：原边补偿机构为LCL（T型）结构，副边切换机构由串联补偿电容C_S1并联一个双向开关S₁和并联补偿电容C_S2串联一个双向开关S₂构成，其中所述的双向开关为两只功率开关管反向串联；副边控制机构通过控制S₁、S₂的开通和关断，使无线电能传输系统在两种不同的谐振补偿拓扑上进行切换，两种可相互切换的谐振补偿拓扑分别为：LCL-S补偿拓扑和LCL-P补偿拓扑。

所述的一种谐振补偿拓扑可切换的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于：

通过检测负载供电电源特性的不同，使系统在恒流输出、恒压输出以及高功率高效率输出三种工作模式上进行切换，以满足各种类型负载的供电要求。

（1）当系统负载要求必须恒流源供电时，令开关管S₁和S₂同时开通，使系统切换至LCL-P补偿拓扑对负载进行恒流供电工作模式。

（2）当系统负载需要必须恒压源供电时，令开关管S₁和S₂同时关断，使系统切换至LCL-S补偿拓扑对负载进行恒压供电工作模式。

（3）当系统负载即可以使用恒流源供电又可以使用恒压源供电时，优先考虑其输出功率和效率，检测系统负载R_L，存在限值R_X，负载电阻R_L≤R_X时，令开关管S₁和S₂同时关断，使系统切换至LCL-S补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高；负载电阻R_L>R_X时，令开关管S₁和S₂同时开通，使系统切换至LCL-P补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高，从而使系统工作在高功率高效率的工作模式下。

有益效果

本发明由于采用上述技术方案，其具有优点如下：可以根据负载供电所需电源特性或功率效率输出要求，灵活切换系统相应的工作模式为其提供电能，有效的优化其功率及效率，使系统工作在高功率高效率状态，从而满足各种类型负载的供电要求，有效克服了单一谐振补偿拓扑的限制，拓宽了系统应用场合。

（1）当系统负载要求必须恒流源供电时，令开关管S₁和S₂同时开通，使系统切换至LCL-P补偿拓扑对负载进行恒流供电工作模式。例如：LED灯、电池恒流充电时段等

（2）当系统负载需要必须恒压源供电时，令开关管S₁和S₂同时关断，使系统切换至LCL-S补偿拓扑对负载进行恒压供电工作模式。例如：电机、电灯、电池恒压充电时段等

（3）当系统负载即可以使用恒流源供电又可以使用恒压源供电时，优先考虑其输出功率和效率，检测系统负载R_L，存在限值R_X，负载电阻R_L≤R_X时，令开关管S₁和S₂同时关断，使系统切换至LCL-S补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高；负载电阻R_L>R_X时，令开关管S₁和S₂同时开通，使系统切换至LCL-P补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高，从而使系统工作在高功率高效率的工作模式下。例如：取暖器、电热毯等

附图说明

图1为本发明系统主电路结构图

图中，1、直流电源；2、高频逆变机构；3、原边补偿机构；4、电磁耦合机构；5、副边切换机构；6、整流滤波机构；7、负载；8、原边控制机构；9、副边控制机构

图2为开关S₁、S₂同时关断时本发明系统切换至LCL-S补偿拓扑的主电路图

图3为开关S₁、S₂同时开通时本发明系统切换至LCL-P补偿拓扑的主电路图

图4为本发明系统主电路简化过程分析图

图5为本发明系统工作在LCL-S拓扑下的输出电压与系统负载之间的关系图

图6为本发明系统工作在LCL-P拓扑下的输出电流与系统负载之间的关系图

图7为本发明系统输出功率和传输效率与系统负载之间的关系图

图8为本发明系统工作流程图

具体实施方式

为了使本发明的目的、发明内容和有益效果更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

参见图1，图1所示为本发明系统结构示意图，本发明系统包括直流电源1，高频逆变机构2，原边补偿机构3，电磁耦合机构4，副边切换机构5，整流滤波机构6，负载7，原边控制机构8和副边控制机构9。

所述的直流电源U_in可由市电经整流滤波获得，也可直接使用直流电压进行供电。

所述的高频逆变机构可选择半桥、全桥或推挽式逆变电路，本发明使用四只功率开关管G₁-G₄组成H桥高频逆变器。

所述的原边补偿机构选用LCL补偿拓扑，其组成包括：原边补偿电感La和原边补偿电容C_P，其中原边补偿电容C_P与原边发射线圈电感L_P并联后在与原边补偿电感La串联，构成LCL谐振补偿网络。L_a、C_P和L_P满足如下关系：

（1）

其中ω是系统谐振频率。

所述的电磁耦合机构包括：原边发射线圈L_P和副边拾取线圈L_S，构成松耦合变压器结构。

所述的副边切换机构包括：副边串联补偿电容C_S1、并联切换开关S₁、副边并联补偿电容C_S2和串联切换开关S₂，其中副边串联补偿电容C_S1并联一个功率开关管S₁后在与并联补偿电容C_S2串联一个功率开关管S₂共同组成副边切换机构。C_S1、C_S2与副边拾取线圈电感L_S满足如下关系：

（2）

所述的整流滤波机构包括：四只快恢复二极管D₁-D₄和滤波电容C₁。

所述的负载为系统负载R_L。

所述的原边控制机构由原边控制器和驱动电路构成，其中原边控制器可选用DSP、FPGA、ARM单片机等；检测模块与系统输出端相连，可检测负载供电电源特性以及负载阻值大小；驱动电路由光耦隔离和功率放大两部分电路构成。

所述的副边控制机构由副边控制机构由检测模块、副边控制器和驱动电路构成，其中副边控制器可选用DSP、FPGA、ARM单片机等；驱动电路由光耦隔离和功率放大两部分电路构成。

参见图2、图3，其中图2为本发明系统副边切换机构中开关S₁、S₂同时关断时的主电路图，此时本发明系统的结构为为LCL-S补偿拓扑；图3为本发明系统副边切换机构中开关S₁、S₂同时开通时的主电路图，此时本发明系统的结构为为LCL-P补偿拓扑。

参见图4，图4所示为本发明系统主电路简化分析图，在原边采用LCL谐振补偿网络情况下，通过如图4所示过程简化分析和计算，由诺顿等效定律可知原边导轨L_P中电流为：

（3）

其中ω是系统谐振频率，U_in是直流电源电压，由式（3）易知原边导轨L_P中电流恒定。

当忽略副边线圈内阻时，LCL-S与LCL-P补偿拓扑下反射到原边的阻抗分别为：

（4）

其中M是原边发射线圈和副边拾取线圈的互感。

通过图4一系列的电路简化过程，可得LCL-S补偿拓扑下的输出电压U_out和LCL-P补偿拓扑下的输出电流I_out分别为：

（5）

（6）

系统中ω、L_a、M、L_S为定值，由式（3）、式（5）和式（6）可知，当负载变化时，只要给定系统输入电压U_in，其他参数在系统确定后不可改变，不需要增加复杂的控制电路，就可以实现：如图5所示，当系统负载变化时，LCL-S补偿拓扑下的输出电压恒定，对于负载而言可看作为恒压源；如图6所示，当系统负载变化时，LCL-P补偿拓扑下的输出电流恒定，对于负载而言可看作为恒流源。

进一步分析和计算可得系统输出功率和传输效率分别为：

（7）

（8）

经过以上理论分析，并合理设计参数可以得到LCL-S与LCL-P补偿拓扑下的系统输出功率Pout和传输效率η与系统负载R_L之间的关系曲线参见图7。

图7所示为本发明系统输出功率和传输效率与系统负载之间的关系图，以系统负载R_L为变量，联立式（7）中LCL-S与LCL-P补偿拓扑下的系统输出功率得：R_L=R_X1；同理以系统负载R_L为变量，联立式（8）中LCL-S与LCL-P补偿拓扑下的系统传输效率得：R_L=R_X2。如图7所示，设负载限值R_X，易得：R_X=R_X1=R_X2，即为系统要求高功率高效率输出时的切换点，当负载电阻R_L≤R_X时，LCL-S补偿拓扑状态下的系统输出功率与传输效率较高；当负载电阻R_L>R_X时，LCL-P补偿拓扑状态下的系统输出功率与传输效率较高。

参见图8，图8所示为本发明系统工作流程图，下面结合图8进一步说明本发明系统的工作流程，上电初始，开关管S₁、S₂同时关断，系统工作在LCL-S谐振拓扑状态，根据负载所需供电电源特性，当系统负载要求必须恒流源供电时，系统切换到模式一，令开关管S₁和S₂同时开通，使系统切换至LCL-P补偿拓扑对负载进行恒流供电工作模式。当系统负载需要必须恒压源供电时，系统切换到模式二，令开关管S₁和S₂同时关断，使系统切换至LCL-S补偿拓扑对负载进行恒压供电工作模式。当系统负载即可以使用恒流源供电又可以使用恒压源供电时，系统切换到模式三，优先考虑其输出功率和效率，首先检测模块检测系统负载R_L，存在限值R_X，当负载电阻R_L≤R_X时，令开关管S₁和S₂同时关断，使系统切换至LCL-S补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高；当负载电阻R_L>R_X时，令开关管S₁和S₂同时开通，使系统切换至LCL-P补偿拓扑的状态下其输出功率与传输效率较高，从而使系统工作在高功率高效率的工作模式下。