具有变耦合系数稳定性的非线性无线电能传输系统及方法

摘要

本发明公开了一种具有变耦合系数稳定性的无线电能传输方法和装置，包括原边侧整流滤波单元、原边侧高频逆变器、原边侧DC/DC单元、原边侧线性拓扑结构、原边侧发射线圈、副边侧接收线圈、副边侧并联电容、副边侧可变电感或电容结构、副边侧整流滤波单元等，副边侧可变电感或电容结构中包含至少一个工作于开关状态的线性电感L2或线性电容C3，本发明的输出电压波形介于正弦波和方波之间，可以实现变耦合系数条件下的自动稳压、扩频，且不需要主动控制器件的参与。本系统的稳定性无需依赖通信反馈，可靠性高，成本较低；可以在耦合系数变化时维持无线电能传输的高效率及稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于电气工程领域的无线电能传输技术，具体涉及磁场耦合型无线电能传输装置(Magnetic-field coupled power transmission)，是一种利用自然或人造可变电感或电感的非线性谐振来改进传统无线电能传输系统，从而提高系统传输距离和传输稳定性的方法，具体公开具有变耦合系数稳定性的非线性无线电能传输系统及其实现方法。

背景技术

近年来，由于社会发展需要和技术的进步，无线电能传输技术取得飞速发展。其中，磁场耦合无线电能传输技术以其传输功率大、效率高、安全性好等优势，有望在电动汽车、工业机器人、手机充电等领域得到广泛的商业应用。

无线电能传输技术的发展可以追溯到100年前。当时，尼古拉特斯拉提出了基于火花隙的大功率无线电能传输技术方案。然而，由于种种原因，其技术方案和方法至今未被重现。

为了提高无线输电传输的性能，研究者尝试引入了各种补偿拓扑结构和控制方法，以克服无线电能传输系统的低耦合系数、高漏感特性，从而增加无线电能传输系统的传输距离，并提升传输效率。2009 年，麻省理工学院RagifE.Hamam等人参照量子力学中的电磁感应透明(EIT)效应，提出中继线圈的概念，大大提高了能量转换效率和距离。2011年，剑桥大学三菱电子研究所将电磁超材料应用于无线输电领域，使用类似电磁超材料中的SRR环结构大大加强了无线输电的距离，并提高了无线输电的效率。也有的学者从改进基本拓扑结构出发，提出LCC拓扑结构、LLC拓扑结构等，以期获得恒流输出、恒压输出等性能，并将其应用于电动汽车的无线电能传输。

然而，传统的研究方法没有突破线性谐振的局限，导致系统稳定性不好，或者控制电路过于复杂，成本过高，从而不能够顺利从实验室进入工业领域。为了解决变耦合系数条件下无线输电系统的稳定性问题，近几年来出现了一些新的方法。新西兰奥克兰大学的赵雷使用混合拓扑结构，实现了在空间一定范围内的恒功率传输；华南理工大学张波课题组使用分数阶的方法，实现了变耦合系数条件下的恒功率输出。本质上，这些方法突破了传统的基于通信的反馈控制，实现了基于能量的控制方法，取得了较好的效果。

本发明提出一种基于电感量或电容量控制的大功率、非线性谐振无线电能传输系统，该系统不同于传统的线性谐振模式，在较高工作频率下(10KHz-300KHz)实现了系统的变耦合系数稳定性，而且成本较低，易于推广到工业领域。该发明的空气隙结构有望复现特斯拉当年的设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用可变电感或可变电容来实现非线性谐振，从而改善传统无线输电系统的性能局限，提高其变耦合系数条件下的输出电压稳定性。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于可变电感的无线电能传输系统，包括原边侧和副边侧，所述原边侧包括顺序电连接的原边侧交流电源、原边侧整流滤波单元、原边侧DC/DC 单元、原边侧高频逆变器、原边侧LCC线性拓扑结构(也可采用其他线性拓扑结构)和原边侧发射线圈；所述副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧并联电容、副边侧可变电感结构、副边侧整流滤波单元和负载；所述的副边侧接收线圈通过互感M接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；所述副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧并联电容、副边侧整流滤波单元；所述的副边侧接收线圈通过互感M接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；所述副边侧并联电容与所述副边侧整流滤波单元之间还设有与所述并联电容并联连接的非线性装置，所述非线性装置基于所述副边侧接收线圈两端电压为判断条件进行变换与所述副边侧并联电容耦合的电感或电容值。

所述非线性装置使用带有漏磁结构的磁饱和变压器实现开关切换，所述磁饱和变压器其磁芯交替工作于BH特性曲线的线性区和饱和区。

所述非线性装置也可以为副边侧可变电感结构或副边侧可变电容结构，所述副边侧可变电感结构中包含：至少一个交替工作于不同电感量的可变电感。其实现方法可以是磁芯材料的自然特性，也可以是线性电感的电路切换；所述副边侧并联电容可以与上述可变电感或电容结构形成非线性谐振，谐振波形介于正弦波和方波之间，其电容值的选择不同于线性谐振，副边侧所有并联电容的总电容C与副边侧所有电感的总电感L形成非线性谐振时，此时需要满足的条件是： 1

本发明的目的还可以这样实现，原边侧保持不变的情况下，所述副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧并联电容、副边侧可变电容结构、副边侧整流滤波单元和负载；所述的副边侧接收线圈通过互感M接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；所述副边侧可变电容结构中包含：至少一个交替工作于不同电容量的可变电容。其实现方法是线性电容的电路切换；所述副边侧可变电容可以与副边侧接收线圈形成非线性谐振，谐振波形介于正弦波和方波之间；

优选地，所述的副边侧可变电感结构采用了如下电路结构：包括至少一个可控电感L

优选地，所述的副边侧可变电感结构也可以利用磁性材料的饱和特性，即磁芯交替工作于BH特性曲线的线性区和饱和区；

优选地，所述的副边侧可变电感结构可以使用带有漏磁结构的磁饱和变压器；可以使用铁氧体、纳米非晶合金磁性材料中的一种作为漏磁结构的材料，其漏磁气隙在0.2mm-1mm之间，其工作频率在 10KHz-300KHz之间，其输入线圈的电感量大于副边侧接收线圈(250)电感量的3倍以上。

优选地，所述的副边侧可变电容结构采用了如下电路结构：包括至少一个可控电容C

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、无需任何通信和反馈环节,本系统实现了变耦合系数条件下输出电压恒定。即系统输出电压与距离无关。

2、副边侧的漏磁变压器配置省去了传统的副边侧DC/DC的稳压环节，简化系统结构。

3、本拓扑的谐振特性不受传统LC谐振曲线的限制，可以在较宽频带内进行谐振，避免了由于工作温度及元器件误差造成的系统性能下降。特别适合电动汽车、高铁等需要在恶劣环境下使用的无线电能传输应用。

4、本系统的高稳定性源自非线性器件的自适应特性，无需主动有源器件进行控制干预，大大提高了系统响应速度，特别适用于电动汽车、高铁等需要高速移动无线电能传输的设备。

5、可变电感和可变电容的非线性谐振具有负阻效应，具有两个跳变的稳定工作点。在合适条件下，负阻效应可以抵消系统损耗，从理论上提高系统品质因数Q及线圈ESR损耗，改善系统幅频特性的矩形比，从而使传输距离更远，效率更高。

6、优选的火花隙结构的方案有望复现100年前特斯拉的谐振放大器的设计。

综上所述，本发明可以从理论上突破传统无线输电系统的性能局限，而且结构简单，性能可靠，易于商业应用，是本领域的重要技术和方法创新。

附图说明

图1是本发明的可变电感方案系统总体框图。

图2是基于压控开关K

图3是基于有源器件的压控开关K

图4是基于高频漏磁变压器的可变电感非线性谐振方案。

图5是不对称结构高频漏磁变压器可变电感结构图。

图6是对称结构高频漏磁变压器可变电感结构图。

图7是本发明的可变电容方案系统总体框图。

图8是基于压控开关K

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例仅是本发明实施例的一部分，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其它实施例，都属于本专利的保护范围。

图1是本发明的可变电感方案系统总体框图。由图1可以看出，本发明提出的一种基于副边侧可变电感非线性谐振的无线电能传输系统，包括原边侧100和副边侧200，所述原边侧100包括顺序电连接的原边侧交流电源160、原边侧整流滤波单元110、原边侧DC/DC单元120、原边侧高频逆变器130、原边侧线性拓扑结构140和原边侧发射线圈150；所述副边侧200包括顺序电连接的副边侧接收线圈 250、副边侧并联电容210、副边侧可变电感结构220a、副边侧整流滤波单元230和负载240；所述的副边侧接收线圈250通过互感M接收原边侧发射线圈150所发射的电磁场，并将其转化为电能。

在本发明的实施例中，副边侧变电感结构220a包括如下三种电路结构：

第一种，可变电感由线性电感L

在本发明的实施例中，压控开关K

1、火花隙(SparkGap)结构。这也是当年特斯拉产生高频信号使用的结构。其气隙可以是空气，也可以是惰性气体。

2、陶瓷放电管或半导体放电管等具有限压导通功能的器件。

3、使用整流二极管D

第二种：可变电感由具有饱和特性的高频漏磁变压器L

在本发明的实施例中，高频漏磁变压器可包括如下结构：

1、不对称E型结构。如图5所示。在E型变压器一侧留有气隙，而另一侧不留气隙，使高频变压器右侧交替工作于饱和及截止状态，实现可变电感。

2、对称漏磁结构。

可以使用铁氧体、纳米非晶合金磁性材料中的一种作为漏磁结构，其漏磁气隙在0.2mm-1mm之间，其工作频率在10KHz-300KHz 之间，其输入线圈的电感量大于副边侧接收线圈(250)电感量的3 倍以上。

如图6所示。图7是本发明的可变电容方案系统总体框图。由图 7可以看出，本发明提出的一种基于副边侧可变电容非线性谐振的无线电能传输系统，包括原边侧100和副边侧200，所述原边侧100包括顺序电连接的原边侧交流电源160、原边侧整流滤波单元110、原边侧DC/DC单元120、原边侧高频逆变器130、原边侧线性拓扑结构 140和原边侧发射线圈150；所述副边侧200包括顺序电连接的副边侧接收线圈250、副边侧并联电容210、副边侧可变电容结构220b、副边侧整流滤波单元230和负载240；所述的副边侧接收线圈250通过互感M接收原边侧发射线圈150所发射的电磁场，并将其转化为电能。

在本发明的实施例中，副边侧可变电容结构220b包括如下电路结构：

可变电容由线性电容C

使用整流二极管D

本发明的实施例提供了一种基于可变电容或可变电感的非线性谐振的无线电能传输系统。与现有技术相比，本方案无需任何通信和反馈环节,本系统实现了变耦合系数条件下输出电压恒定，即系统输出电压与距离无关；另，本系统的副边侧的漏磁变压器配置省去了传统的副边侧DC/DC的稳压环节，简化系统结构；而且，本拓扑的谐振特性不受传统LC谐振曲线的限制，可以在较宽频带内进行谐振，避免了由于工作温度及元器件误差造成的系统性能下降。特别适合电动汽车、高铁等需要在恶劣环境下使用的无线电能传输应用；本系统的高稳定性源自非线性器件的自适应特性，无需主动有源器件进行控制干预，大大提高了系统响应速度，特别适用于电动汽车、高铁等需要高速移动无线电能传输的设备；可变电感和可变电容的非线性谐振具有负阻效应，具有两个跳变的稳定工作点。在合适条件下，负阻效应可以抵消系统损耗，从理论上提高系统品质因数Q及线圈ESR损耗，改善系统幅频特性的矩形比，从而使传输距离更远，效率更高。。