[发明专利]一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统及控制方法，具体涉及一种高效宽范围功率可调的无线电能传输系统及控制方法。

背景技术

无线电能传输系统是通过松散电磁耦合的方式实现电能的无线传输，但是由于磁场的空间传播特性以及强衰减特征，传统的无线电能传输系统的磁路的耦合系数较低，致使副边磁能拾取线圈与原边磁能发射线圈之间的相对空间距离受到非常严格的限制，从而导致无线电能传输系统输出功率调节范围小。

为实现在一定的相对空间距离内，提高系统输出功率的调节范围，实现系统输出功率在宽范围内调节，目前通常采用以下的几种方法：

（1）提高系统输入电压

这种方法在不改变耦合系数的情况下，通过增加输入电压，从而以提高原边磁能发射线圈中的电流来增大副边磁能拾取线圈上的拾取电压目的，虽然可以增大无线电能传输系统输出功率调节范围，但这种盲目增大输入电压的方法，不仅增大了器件的开关应力和系统成本，而且降低了系统效率，在实际系统设计过程中并不常见。

（2）优化设计磁路耦合机构及参数

这种方法主要是对原副边磁能线圈的材料、结构、大小以及系统的谐振频率等进行优化选取，是目前设计无线电能传输系统磁路机构时最常见的方法，并已经取得了一定的效果，最大限度的优化提高了系统传输功率调节范围。

由于不同的应用环境下对不同负载功率要求的不同，负载电阻阻值的变化会导致系统反射阻抗的变化，从而引起系统传输功率的改变。目前为了实现对系统传输功率的控制和调节，通常采用以下的几种功率控制方法：（1）原边和副边串联DC/DC变换器；（2）原边或者副边失谐控制；（3）副边短路解耦控制；（4）原边移相控制；（5）原边能量注入控制。针对以上几种功率控制方法的不足，中国实用新型专利201020277910.1公开了一种无线电能传输系统的功率控制方法，实现了功率的有效调节，具有开关损耗小、转换效率高等优点，但也存在电路结构复杂，控制难度较大、功率调节装置依然存在开关损耗等缺点。

发明内容

本发明的目的就是针对传统无线电能传输系统中存在功率调节范围小、功率调节灵活性不高、功率调节装置存在开关损耗等因素，提出一种基于互感耦合参数调节的高效宽范围功率可调无线电能传输系统及控制方法，既可保证副边能量拾取机构在磁场空间拾取能量时控制的灵活性，又可实现拾取能量的大范围可调，且整体系统效率较高。

本发明的目的是这样实现的：

一种高效宽范围功率可调无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、互感耦合磁路机构、原副边无功补偿机构、可变负载以及功率调节伺服控制机构，其中直流电源可以通过市电经过整流滤波获取，高频逆变器可以采用半桥式、全桥式或者推挽式等逆变电路。

所述的直流电源、高频逆变器、互感耦合磁路机构、原副边无功补偿机构、可变负载组成了一个典型的无线电能传输系统。

所述的功率调节伺服控制机构由负载电压检测电路、负载电流检测电路、数字信号处理器（DSP）、伺服控制器、电机以及电机与副边磁能拾取线圈之间的传动机构组成。

所述的互感谐振耦合磁路机构是由原边磁能发射部分和副边磁能拾取部分组成，其中原边磁能发射部分是由两个螺线管线圈构成，且两个螺线管线圈以并联方式连接在原边高频逆变电路输出之后；副边磁能拾取部分主要包含一个可在空间旋转的磁能拾取螺线管线圈。

所述的两个原边磁能发射线圈的材料、大小、匝数、电感参数完全一致，螺旋方向相同，并且在几何位置上，两个原边磁能发射线圈同垂直轴分布排列。

所述的副边磁能拾取线圈位于两个原边磁能发射线圈之间中心位置，两个原边磁能发射线圈之间间距大于副边磁能拾取线圈的直径和螺线管长度，保证副边线圈可在两个原边线圈之间任意转动，并且副边线圈与两个原边线圈具有相同的互感耦合关系。

所述的两个原边磁能发射线圈位置固定不变，副边磁能拾取线圈可在两个原边磁能发射线圈之间的空间内围绕副边磁能拾取线圈的水平轴旋转；副边磁能拾取线圈的垂直轴线与两个原边磁能发射线圈的垂直轴线之间的夹角定义为线圈夹角α(0°≤α≤90°)，调节α即可改变副边磁能拾取线圈与磁场的感应耦合面的有效面积，从而改变原副边线圈之间的耦合系数，达到调节系统输出功率的要求。

所述的无线电能传输系统中，由于负载电阻和原副边互感耦合系数的变化，导致反射阻抗的变化，从而会对系统的稳定性造成影响，因此为了降低参数变化对系统稳定性的影响，两个原边磁能发射线圈和副边磁能拾取线圈的谐振补偿方式均采用串电容谐振补偿结构。

本系统的功率调节伺服控制方法：