專利名稱：基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到無線電能傳輸技術(shù)，具體地說，是一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
無線電能傳輸技術(shù)是基于電磁感應(yīng)原理，以電磁場為媒介，利用現(xiàn)代電力電子變 換技術(shù)、功率電磁場耦合技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的一種新型、實(shí)用、靈活的供電技術(shù)。近年已來成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并在交通、醫(yī)療、石油開采和機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在電力傳輸系統(tǒng)中，智能電網(wǎng)技術(shù)又是另一研究熱點(diǎn)，為了緩解用電高峰的供電壓力，人們提出了基于電動汽車的電網(wǎng)能量調(diào)節(jié)方案，將電動汽車融入智能電網(wǎng)，即在用電高峰期，電動車的車載電池為電網(wǎng)輸出電能，而用電低谷期，電網(wǎng)為電動車補(bǔ)充能量，從而實(shí)現(xiàn)車載電池到電網(wǎng)的雙向能量流動。為了實(shí)現(xiàn)上述智能電網(wǎng)中車載電池到電網(wǎng)的雙向能量流動，往往需要將電動汽車?？吭诠潭ㄎ恢?，利用導(dǎo)線將電動汽車的車載電池和電網(wǎng)連接才能實(shí)現(xiàn)能量傳輸，智能化程度低，實(shí)施過程比較復(fù)雜。基于上述缺陷，有人提出利用無線電能傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載電池與電網(wǎng)之間的能量交換，使得電動汽車的充放電過程無需任何導(dǎo)線插拔過程，提高了智能化程度。但現(xiàn)有的無線電能傳輸系統(tǒng)通常只設(shè)計為單向能量傳輸，當(dāng)用于驅(qū)動電動機(jī)類負(fù)載或者電池負(fù)載時，由于這類負(fù)載具有反電動勢性質(zhì)，根據(jù)其工作狀態(tài)的不同，對系統(tǒng)的能量傳輸方向也會有特殊的要求。比如帶電機(jī)負(fù)載時，剎車制動時，電機(jī)將工作于發(fā)電機(jī)模式，需要建立能量回饋通道以進(jìn)行回饋制動，從而提高能量利用率；如果是電池負(fù)載，如果電池工作在能量輸出模式，也需要能量回饋通道。針對上述需求，傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)將不再滿足，需要一種具有雙向能量流動特性的無線電能傳輸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足上述需求，本發(fā)明提出一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法，在能量傳輸過程中，能夠根據(jù)原、副邊的能量狀態(tài)自動實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，從而提高能量利用率。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的所采用的技術(shù)方案如下一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源、原邊變換電路、原邊諧振電路、副邊諧振電路、副邊變換電路以及負(fù)載電路，其關(guān)鍵在于所述原邊諧振電路上連接有原邊電流過零檢測模塊，該原邊電流過零檢測模塊的輸出端與帶有邊沿觸發(fā)的原邊控制邏輯電路連接，該原邊控制邏輯電路輸出的控制信號經(jīng)過原邊驅(qū)動電路后控制所述原邊變換電路工作；所述副邊諧振電路上連接有副邊電流過零檢測模塊，該副邊電流過零檢測模塊的輸出端與帶有邊沿觸發(fā)的副邊控制邏輯電路連接，該副邊控制邏輯電路輸出的控制信號經(jīng)過副邊驅(qū)動電路后控制所述副邊變換電路工作；所述負(fù)載電路上連接有比較器，該比較器用于采集負(fù)載電路的電壓值或電流值，并將其與參考電壓值或參考電流值進(jìn)行比較，該比較器的比較結(jié)果傳送到所述原邊控制邏輯電路和副邊控制邏輯電路中。
由于在原邊諧振網(wǎng)絡(luò)和副邊諧振網(wǎng)絡(luò)中均設(shè)置邏輯控制電路，通過檢測原邊諧振電路的電流狀態(tài)，副邊諧振電路的電流狀態(tài)以及負(fù)載電路的輸出狀態(tài)，可以判斷原、副邊的能量狀況，通過原、副邊的邏輯控制電路分別控制原邊變換電路和副邊變換電路的開關(guān)狀態(tài)，即可改變能量的傳輸方向，從而實(shí)現(xiàn)雙邊功率控制以及雙向能量傳輸。作為進(jìn)一步描述，所述原邊變換電路由開關(guān)管SI和開關(guān)管S2組成，所述原邊諧振電路由原邊電容Cp和原邊線圈Lp串聯(lián)而成，開關(guān)管SI串接在電源的正極和原邊電容Cp之間，開關(guān)管S2串接在電源的負(fù)極和原邊電容Cp之間；所述副邊變換電路由開關(guān)管S3和開關(guān)管S4組成，所述副邊諧振電路由副邊電容Cs和副邊線圈Ls串聯(lián)而成，開關(guān)管S3串接在副邊電容Cs和負(fù)載電路的低電平端，開關(guān)管S4串接在副邊電容Cs和負(fù)載電路的高電平端。能量正向傳輸時，開關(guān)管SI和S2輪流導(dǎo)通,將電源輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為方波電壓，驅(qū)動原邊電容Cp和原邊線圈Lp組成的原邊諧振電路工作，在原邊線圈Lp上產(chǎn)生高頻交變電流，從而激發(fā)高頻交變電磁場，副邊線圈Ls上的感應(yīng)電壓經(jīng)過副邊電容Cs進(jìn)行補(bǔ)償后與原邊諧振網(wǎng)絡(luò)“共振”以實(shí)現(xiàn)無線能量傳輸，副邊拾取到的能量經(jīng)開關(guān)管S3和開關(guān)管S4同步整流后輸出給負(fù)載電路。能量反向傳輸時，開關(guān)管S3和開關(guān)管S4工作于逆變狀態(tài)，而開關(guān)管SI和開關(guān)管S2工作于同步整流狀態(tài)，副邊線圈Ls工作于能量發(fā)射狀態(tài)，原邊線圈Lp工作于能量拾取狀態(tài)。結(jié)合上述電路，原邊控制邏輯電路和副邊控制邏輯電路按照以下方式進(jìn)行控制當(dāng)ip>0且e>0時，閉合開關(guān)管SI，斷開開關(guān)管S2 ；當(dāng)ip>0且e彡0時，斷開開關(guān)管SI，閉合開關(guān)管S2 ；當(dāng)ip彡0且e>0時，斷開開關(guān)管SI，閉合開關(guān)管S2 ；當(dāng)ip彡0且e彡0時，閉合開關(guān)管SI，斷開開關(guān)管S2 ；當(dāng)is彡0且e彡0時，閉合開關(guān)管S4，斷開開關(guān)管S3 ；當(dāng)is彡0且e>0時，斷開開關(guān)管S4，閉合開關(guān)管S3 ；當(dāng)is > 0且e彡0時，斷開開關(guān)管S4，閉合開關(guān)管S3 ；當(dāng)is>0且e>0時，閉合開關(guān)管S4，斷開開關(guān)管S3 ；其中ip為原邊諧振電流，is為副邊諧振電流，e為比較器的比較結(jié)果。由于原、副邊之間的能量采用非接觸式傳輸，不存在實(shí)質(zhì)性的硬件連接關(guān)系，因此比較器的比較結(jié)果通過無線傳輸方式傳送到原邊控制邏輯電路中。本發(fā)明的顯著效果是通過原邊和副邊分別設(shè)置的邏輯控制電路，根據(jù)負(fù)載電路反饋的誤差信息實(shí)時控制系統(tǒng)中的功率流向，從而實(shí)現(xiàn)功率流快速調(diào)整，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小了系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)的能量，提高了能量的利用效率。


圖I是本發(fā)明的電路原理框圖；圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)主電路圖；圖3是原邊諧振變換器的工作狀態(tài)圖；圖4是副邊諧振變換器的工作狀態(tài)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
以及工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示，一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源I、原邊變 換電路2、原邊諧振電路3、副邊諧振電路4、副邊變換電路5以及負(fù)載電路6，所述原邊諧振電路3上連接有原邊電流過零檢測模塊7，該原邊電流過零檢測模塊7的輸出端與帶有邊沿觸發(fā)的原邊控制邏輯電路8連接，該原邊控制邏輯電路8輸出的控制信號經(jīng)過原邊驅(qū)動電路9后控制所述原邊變換電路2工作；所述副邊諧振電路4上連接有副邊電流過零檢測模塊10，該副邊電流過零檢測模塊10的輸出端與帶有邊沿觸發(fā)的副邊控制邏輯電路11連接，該副邊控制邏輯電路11輸出的控制信號經(jīng)過副邊驅(qū)動電路12后控制所述副邊變換電路5工作；所述負(fù)載電路6上連接有比較器13，該比較器13用于采集負(fù)載電路6的電壓值或電流值，并將其與參考電壓值或參考電流值進(jìn)行比較，該比較器13的比較結(jié)果傳送到所述原邊控制邏輯電路8和副邊控制邏輯電路11中。如圖2所示，實(shí)施過程中，原邊變換電路2由開關(guān)管SI和開關(guān)管S2組成，原邊諧振電路3由原邊電容Cp和原邊線圈Lp串聯(lián)而成，開關(guān)管SI串接在電源I的正極和原邊電容Cp之間，開關(guān)管S2串接在電源I的負(fù)極和原邊電容Cp之間；所述副邊變換電路5由開關(guān)管S3和開關(guān)管S4組成，所述副邊諧振電路4副邊諧振電路4由副邊電容Cs和副邊線圈Ls串聯(lián)而成，開關(guān)管S3串接在副邊電容Cs和負(fù)載電路6的低電平端，開關(guān)管S4串接在副邊電容Cs和負(fù)載電路6的高電平端。如圖3所示，由于原邊變換電路2由開關(guān)管SI和開關(guān)管S2組成，通過控制開關(guān)管SI和開關(guān)管S2的開關(guān)狀態(tài)可以讓原邊諧振網(wǎng)絡(luò)具有四種工作模式，分別為圖(3a)所示的能量注入狀態(tài)，圖(3b)所示的能量回饋狀態(tài)，圖(3c)所示的正向自由振蕩狀態(tài)以及圖(3d)所示的反向自由振蕩狀態(tài)。同理，如圖4所示，由于副邊變換電路5由開關(guān)管S3和開關(guān)管S4組成，通過控制開關(guān)管S3和開關(guān)管S4的開關(guān)狀態(tài)也可以讓副邊諧振網(wǎng)絡(luò)具有四種工作模式，分別為圖(4a)所示的能量輸出狀態(tài)，圖(4b)所示的能量回饋狀態(tài)，圖(4c)所示的正向自由振蕩狀態(tài)以及圖(4d)所示的反向自由振蕩狀態(tài)。在控制過程中，原邊控制邏輯電路8和副邊控制邏輯電路11按照以下方式進(jìn)行控制當(dāng)ip>0且e>0時，閉合開關(guān)管SI，斷開開關(guān)管S2 ；當(dāng)ip>0且e彡0時，斷開開關(guān)管SI，閉合開關(guān)管S2 ；當(dāng)ip彡0且e>0時，斷開開關(guān)管SI，閉合開關(guān)管S2 ；當(dāng)ip彡0且e彡0時，閉合開關(guān)管SI，斷開開關(guān)管S2 ；當(dāng)is彡0且e彡0時，閉合開關(guān)管S4，斷開開關(guān)管S3 ；
當(dāng)is彡0且e>0時，斷開開關(guān)管S4，閉合開關(guān)管S3 ；當(dāng)is > 0且e彡0時，斷開開關(guān)管S4，閉合開關(guān)管S3 ；當(dāng)is > 0且e>0時，閉合開關(guān)管S4，斷開開關(guān)管S3 ；其中ip為原邊諧振電流，iLs為副邊諧振電流，e為比較器13的比較結(jié)果。上述控制方法的基本思路是當(dāng)輸出能量偏大時，根據(jù)能量流方向，采用能量回饋或自由振蕩模式，使系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)能量通過原邊變換電路2回饋至電源1，而副邊輸出能量通過副邊變換電路5回饋至諧振網(wǎng)絡(luò)，從而使得輸出電壓(或電流)快速回落至參考電壓值(或參考電流值);當(dāng)輸出能量偏小時，根據(jù)能量流方向，采用能量注入或自由振蕩方式，使電源I通過原邊變換電路2對諧振網(wǎng)絡(luò)注入能量，而副邊變換電路5從諧振網(wǎng)絡(luò)獲取能量給負(fù)載電路6，使得輸出電壓(或電流)快速上升至參考電壓值(或參考電流值)。實(shí)施過程中，開關(guān)管SI、開關(guān)管S2、開關(guān)管S3以及開關(guān)管S4可以選擇雙向?qū)ǖ腗OSFET管，在邏輯控制上可以采取開關(guān)管SI與開關(guān)管S2互補(bǔ)導(dǎo)通，開關(guān)管S3與開關(guān)管S4互補(bǔ)導(dǎo)通，所有開關(guān)管的反并聯(lián)二極管均被開關(guān)管旁路，處于不工作狀態(tài)。如果采用不具有雙向?qū)ㄌ匦缘腎GBT管作為開關(guān)管，則開關(guān)管SI在原邊諧振變換器工作于能量回饋時，反向電流經(jīng)SI的反并聯(lián)二極管Dl流回電源，此時SI可以不控制導(dǎo)通；開關(guān)管S2在原邊諧振變換器工作于正向自由振蕩狀態(tài)時，正向電流經(jīng)S2的反并聯(lián)二極管D2續(xù)流，此時S2可以不控制導(dǎo)通；開關(guān)管S3在副邊諧振變換器工作于反向自由振蕩狀態(tài)時，反向電流經(jīng)S3的反并聯(lián)二極管D3續(xù)流，此時S3可以不控制導(dǎo)通；開關(guān)管S4在副邊諧振變換器工作于能量輸出狀態(tài)時，正向電流經(jīng)S4的反并聯(lián)二極管D4輸出給負(fù)載，此時S4可以不控制導(dǎo)通。由于原邊控制邏輯電路8和副邊控制邏輯電路11均是帶有邊沿觸發(fā)的邏輯控制電路，從而保證系統(tǒng)的開關(guān)切換均發(fā)生在電流信號過零時刻，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)切換，降低開關(guān)損耗。由于原、副邊之間的能量采用非接觸式傳輸，不存在實(shí)質(zhì)性的硬件連接關(guān)系，因此比較器13的比較結(jié)果通過無線傳輸方式傳送到原邊控制邏輯電路8中，對于比較器13的比較結(jié)果屬于很單一的控制信號，現(xiàn)有的任意一種通信方式均可實(shí)現(xiàn)該信號的無線傳輸，該技術(shù)屬于通信技術(shù)，本方案不再對其進(jìn)行詳細(xì)敘述。盡管以上結(jié)構(gòu)結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本發(fā)明不限于上述具體實(shí)施方式
，上述具體實(shí)施方式
僅僅是示意性的而不是限定性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以作出多種類似的表示，例如將兩個開關(guān)管組成的原邊變換電路2或副邊變換電路5替換為四個開關(guān)管組成的全橋電路來實(shí)現(xiàn)，或者采用不同的無線傳輸方案將比較器的比較結(jié)果傳送到原邊控制邏輯電路中等等，這樣的變換均落入發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括電源(I )、原邊變換電路(2)、原邊諧振電路(3)、副邊諧振電路(4)、副邊變換電路(5)以及負(fù)載電路(6)，其特征在于 所述原邊諧振電路(3)上連接有原邊電流過零檢測模塊(7)，該原邊電流過零檢測模塊(7)的輸出端與帶有邊沿觸發(fā)的原邊控制邏輯電路(8)連接，該原邊控制邏輯電路(8)輸出的控制信號經(jīng)過原邊驅(qū)動電路(9)后控制所述原邊變換電路(2)工作； 所述副邊諧振電路(4)上連接有副邊電流過零檢測模塊(10)，該副邊電流過零檢測模塊(10)的輸出端與帶有邊沿觸發(fā)的副邊控制邏輯電路(11)連接，該副邊控制邏輯電路(11)輸出的控制信號經(jīng)過副邊驅(qū)動電路(12)后控制所述副邊變換電路(5)工作； 所述負(fù)載電路(6 )上連接有比較器(13 )，該比較器(13 )用于采集負(fù)載電路(6 )的電壓值或電流值，并將其與參考電壓值或參考電流值進(jìn)行比較，該比較器(13)的比較結(jié)果傳送到所述原邊控制邏輯電路(8)和副邊控制邏輯電路(11)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)，特征在于 所述原邊變換電路(2)由開關(guān)管SI和開關(guān)管S2組成，所述原邊諧振電路(3)由原邊電容Cp和原邊線圈Lp串聯(lián)而成，開關(guān)管SI串接在電源(I)的正極和原邊電容Cp之間，開關(guān)管S2串接在電源(I)的負(fù)極和原邊電容Cp之間； 所述副邊變換電路(5 )由開關(guān)管S3和開關(guān)管S4組成，所述副邊諧振電路(4 )由副邊電容Cs和副邊線圈Ls串聯(lián)而成，開關(guān)管S3串接在副邊電容Cs和負(fù)載電路(6)的低電平端，開關(guān)管S4串接在副邊電容Cs和負(fù)載電路(6)的聞電平端。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)的控制方法，其特征在于原邊控制邏輯電路(8)和副邊控制邏輯電路(11)按照以下方式進(jìn)行控制 當(dāng)ip>0且e>0時，閉合開關(guān)管SI，斷開開關(guān)管S2 ； 當(dāng)ip>0且e < 0時，斷開開關(guān)管SI，閉合開關(guān)管S2 ； 當(dāng)ip < 0且e>0時，斷開開關(guān)管SI，閉合開關(guān)管S2 ； 當(dāng)ip彡0且e彡0時，閉合開關(guān)管SI，斷開開關(guān)管S2 ； 當(dāng)is彡0且e彡0時，閉合開關(guān)管S4，斷開開關(guān)管S3 ； 當(dāng)is < 0且e>0時，斷開開關(guān)管S4，閉合開關(guān)管S3 ； 當(dāng)is > 0且e彡0時，斷開開關(guān)管S4，閉合開關(guān)管S3 ； 當(dāng)is > 0且e>0時，閉合開關(guān)管S4，斷開開關(guān)管S3 ； 其中ip為原邊電流過零檢測模塊(7)的輸入值，is為副邊電流過零檢測模塊(10)的輸入值，e為比較器(13)的比較結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)的控制方法，特征在于比較器(13)的比較結(jié)果通過無線傳輸方式傳送到原邊控制邏輯電路(8)中。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于雙邊功率流控制的無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法，其系統(tǒng)包括電源、原邊變換電路、原邊諧振電路、副邊諧振電路、副邊變換電路以及負(fù)載電路，其特征在于原邊電路設(shè)置有原邊電流過零檢測模塊、原邊控制邏輯電路以及原邊驅(qū)動電路；副邊電路設(shè)置有副邊電流過零檢測模塊、副邊控制邏輯電路以及副邊驅(qū)動電路，在負(fù)載電路上還連接有比較器。其顯著效果是通過原邊和副邊分別設(shè)置的邏輯控制電路，根據(jù)負(fù)載電路反饋的誤差信息實(shí)時控制系統(tǒng)中的功率流向，從而實(shí)現(xiàn)功率流快速調(diào)整，改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小了系統(tǒng)諧振網(wǎng)絡(luò)的能量，提高了能量的利用效率。
文檔編號H02J17/00GK102751793SQ201210234039
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者唐春森, 孫躍, 戴欣, 王智慧, 蘇玉剛 申請人:重慶大學(xué)