[发明专利]脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，属于无线电能传 输技术领域。

背景技术

感应耦合式无线能量传输领域的发展和研究成果表明，提高系统工作频率 并采用高品质因数谐振网络，可以有效增加感应耦合式无线能量传输系统的有 效传输距离。在感应耦合式无线能量传输系统中，谐振网络线圈中的高频交流 电由发射端逆变器产生。在大部分的逆变器拓扑中，为了产生一定频率的谐振 电流，逆变器中开关管的工作频率必须与谐振频率相同，随着工作频率的升高， 开关管的开关损耗会超过传输损耗，反而导致整体传输效率的降低。同时，常 用的功率开关管开关速度都不高，在超过100kHz的频率上工作时性能会严重下 降，因此尽管中低频的感应耦合式无线能量传输系统(10～20kHz)传输距离较 近，但可以实现高达数十千瓦的传输功率，而高频装置虽然传输距离远，但最 多也只能传输数十瓦。

专利1：一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置，申请号 201510624656.5，该发明提供的一种高效率的电能发射端和无线电能传输装置， 通过软开关控制电路控制逆变电路中开关管的两端电压波形，使得在开关管关 断期间能够在零电压开通，减小开关功耗；同时通过电流调节电路控制原边发 射电流为恒定频率、恒定幅值的电流，以保证原边发射能量不受耦合和负载变 化影响。

专利2：一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，申请号201510315212.3， 该发明提供一种用于无线电能传输的高倍频逆变电路，通过多桥臂移相的方式， 生成具有一定相位差的方波功率信号并进行叠加输出，基于傅里叶级数分析， 实现逆变输出频率为开关频率的n倍的效果。

上述专利虽然一定程度上减少了开关损耗或实现了能量的恒定输入，但没 有完全实现能量的独立输入，且专利2实现电路成本较高且过于复杂。有研究 人员提出了离散注入型的发射端控制方式，即保持输入电压不变，使逆变器间 歇性工作，让谐振网络以自由振荡的形式传递能量。这一工作方式虽然可以降 低逆变器的开关频率，然而它并没有完全实现离散能量注入的功能。由于振荡 电流衰减的速度与接收端负载状况相关，当接收端负载足够大，使得每个谐振 周期内逆变器注入谐振网络的能量可以在一个周期内衰减掉，则逆变器开关频 率就会与谐振频率相同。不仅如此，由于该方法中的能量注入是通过在谐振过 程中将电源接入谐振网络来实现，因此谐振网络中的阻抗和储能情况会影响电 源在接入期间输出的功率。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种脉冲注入型感应耦合式无 线能量传输装置。主要目的是通过感应耦合式无线能量传输装置的离散脉冲式 能量注入控制方式，使装置以远低于谐振频率的脉冲注入频率向接收端传输能 量，避免由于开关管工作频率过高而产生的开关损耗，提高装置无线能量传输 效率，并通过对装置发射端逆变器拓扑的结构设计与控制，彻底地将装置注入 能量与开关频率、谐振网络以及接收端负载状况解耦，完全实现装置的离散脉 冲式能量注入功能。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出一种脉冲注入型感应耦合式无线能量传输装置，其特征在于， 包括低频脉冲能量储存单元、脉冲能量转移单元、高频谐振发射单元、接收端 谐振单元；

直流电源向低频脉冲能量储存单元提供注入能量，低频脉冲能量储存单元 与脉冲能量转移单元相连接，再与高频谐振发射单元相连，高频谐振发射单元 通过发射线圈L_T与接收线圈L_r的耦合谐振向接收端谐振单元传输能量，接收端 谐振单元接收能量并向负载电阻R_r供电；

所述低频脉冲能量储存单元包括开关管S₁、吸收电容C₁、耦合电感L₁，开 关管S₁连接在直流电源和耦合电感L₁之间；吸收电容C₁并联在开关管S₁功率端 两端；