本發(fā)明涉及感應(yīng)耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)，特別是涉及一種基于E類(lèi)功率放大器的感應(yīng)耦合式的非接觸電能傳輸系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：感應(yīng)耦合式非接觸電能傳輸系統(tǒng)，利用發(fā)射線圈通過(guò)松耦合向接收線圈傳遞能量，進(jìn)一步傳遞至負(fù)載，實(shí)現(xiàn)非接觸供電。并且，由于發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)一般較小，而為獲得較大的傳輸功率和效率，電路在設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)射側(cè)和接收側(cè)都要進(jìn)行補(bǔ)償，運(yùn)行時(shí)采用頻率跟蹤方法使電能傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)處于諧振。一般采用的補(bǔ)償方式有串聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)-并聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)-并聯(lián)補(bǔ)償及其他復(fù)雜的高階補(bǔ)償方式。不同形式的補(bǔ)償電路具有不同的特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際需要采用不同的補(bǔ)償方式。然而補(bǔ)償電路的存在使得電路傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得相對(duì)復(fù)雜，特別是，如果要求較好的系統(tǒng)特性時(shí)，則需要采用具有更多元件的高階補(bǔ)償電路，使得電路變得更加復(fù)雜，難以控制。目前，基于E類(lèi)功率放大器的電力電子變換電路工作在軟開(kāi)關(guān)條件下，降低了電能傳輸系統(tǒng)的損耗，具有效率高的特點(diǎn)。如圖1所示，經(jīng)典的E類(lèi)電力電子變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S、直流電感L0、第一電容C1、第二電容C2和串聯(lián)電感LS；并且半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S采用NMOS管。其中，直流電感L0的一端與輸入電源相連，另一端分別與第一電容的C1一端、第二電容C2的一端和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S的漏極相連；半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S的漏極分別與直流電感L0的一端、第一電容C1的一端和第二電容C2的一端相連接；源極分別與輸入電源、第一電容C1的另一端和E類(lèi)電力電子變換電路的外接負(fù)載電阻RL相連；柵極與控制電源相連；第一電容C1的一端分別與直流電感L0的另一端、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S的漏極和第二電容C2的一端連接，另一端分別與輸入電源、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S的源極和外接負(fù)載電阻L0連接；第二電容C2的一端分別與直流電感L0的另一端、半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S的漏極和第一電容C1的一端連接，另一端與串聯(lián)電感LS的一端相連；串聯(lián)電感LS的一端與第二電容C2的另一端連接，另一端與外接負(fù)載電阻RL相串聯(lián)。但是，在對(duì)基于E類(lèi)功率放大器的電力電子變換電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載電阻的大小，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路的諧振部分。當(dāng)負(fù)載電阻發(fā)生變化時(shí)，電路的諧振部分(第二電容和串聯(lián)電感)的諧振條件會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S工作在非軟開(kāi)關(guān)(即半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)S的漏極和源極的電壓不為0)狀態(tài)，從而降低E類(lèi)電路電子變換電路的效率。因此，一般E類(lèi)功率放大器的電力電子變換電路在工作時(shí)，必須限制負(fù)載電阻變化范圍。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中如何在保證非接觸電能傳輸系統(tǒng)的高效率的同時(shí)，避免負(fù)載對(duì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的影響的問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)，包括：包括E類(lèi)功率放大器的逆變單元，與所述非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸入端相連，用于將輸入所述非接觸電能傳輸系統(tǒng)的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能；包括耦合電感的諧振單元，與所述逆變單元相連，用于通過(guò)諧振將所述逆變單元輸出的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能；其中，所述耦合電感包括發(fā)射線圈和與所述發(fā)射線圈相耦合的接收線圈；所述發(fā)射線圈將轉(zhuǎn)換的直流電能通過(guò)耦合傳輸至所述接收線圈并予以輸出。于本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述逆變單元還包括直流電感，所述直流電感連接在所述E類(lèi)功率放大器和所述非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸入端之間。于本發(fā)明的一實(shí)施例中,所述E類(lèi)功率放大器為NMOS管；所述NMOS管的源極和漏極分別連接在所述非接觸電能傳輸系統(tǒng)的輸入端；且源極和漏極還與所述諧振單元相連。于本發(fā)明的一實(shí)施例中,所述諧振單元還包括第一電容和第二電容；所述第一電容的一端分別與所述NMOS管的漏極和所述第二電容的一端相連；另一端分別與所述NMOS管的源極和所述發(fā)射線圈的另一端連接；所述第二電容的一端分別與所述NMOS管的漏極和所述第一電容的一端相連；另一端與所述發(fā)射線圈的一端相連；所述發(fā)射線圈連接在所述第一電容和所述第二電容之間。如上所述，本發(fā)明的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)使用包括E類(lèi)功率放大器的電路電子變換電路，開(kāi)關(guān)元件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；并且，除了基本的諧振電感(發(fā)射線圈L1)和電容(第一電容C1和第二電容C2)外，不再需要其他的補(bǔ)償元件；并且，本發(fā)明的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的E類(lèi)功率放大器的軟開(kāi)關(guān)條件不受外接負(fù)載電阻的影響，在保證了系統(tǒng)可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)了電能的高效率傳輸。附圖說(shuō)明圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中E類(lèi)電力電子變換電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2顯示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3顯示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4～圖6顯示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖7顯示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型中，等效的串聯(lián)電阻和負(fù)載電阻的折算電阻間的關(guān)系示意圖。圖8顯示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型中，等效的串聯(lián)電感的感抗和負(fù)載電阻的折算電阻間的關(guān)系示意圖。圖9顯示為本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)的仿真模型外接不同阻值的負(fù)載電阻時(shí)，E類(lèi)功率放大器的漏源電壓和輸出電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系示意圖。元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明200非接觸電能傳輸系統(tǒng)210逆變單元220諧振單元221耦合電感具體實(shí)施方式以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。需說(shuō)明的是，在不沖突的情況下，以下實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。請(qǐng)參閱附圖。需要說(shuō)明的是，以下實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明提供了一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)，其采用E類(lèi)電力電子變換電路，并利用耦合電感的阻抗變換功能，將接在耦合電感中一個(gè)電感上負(fù)載電阻，變換成滿足E類(lèi)電力電子變換電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)需要的電阻值，從而實(shí)現(xiàn)E類(lèi)電力電子變換電路在任意負(fù)載電阻情況下的可靠工作，進(jìn)一步保證了非接觸電能傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。本實(shí)施例公開(kāi)了一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)200，如圖2所示，包括逆變單元210和諧振單元220。其中，與輸入端相連的逆變單元210用于將輸入至非接觸電能傳輸系統(tǒng)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電。逆變單元210包括直流電感L0和E類(lèi)功率放大器S。直流電感L0和輸入的直流電壓源構(gòu)成電流源。E類(lèi)功率放大器S作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)逆變，用于將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能。其中，E類(lèi)功率放大器指的是一種高效率的功率放大器，在理想情況下，它可以達(dá)到100％的效率。在這種功率放大器中，功率管的驅(qū)動(dòng)電壓幅度必須足夠強(qiáng)，使得輸出功率管相當(dāng)于一個(gè)受控的開(kāi)關(guān)，在完全導(dǎo)通(晶體管工作于線性區(qū))和完全截止(晶體管工作于截止區(qū))之間切換。由于流過(guò)理想開(kāi)關(guān)的電流波形和開(kāi)關(guān)上的電壓波形沒(méi)有重疊，理想開(kāi)關(guān)不消耗功耗，電源提供的直流功耗都轉(zhuǎn)換為輸出功率，將達(dá)到100％的效率。優(yōu)選地，本實(shí)施例的E類(lèi)功率放大器S為NMOS管。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明的E類(lèi)功率放大器S并不僅限于NMOS管這一種形式，只要是在理想情況下，能夠達(dá)到100％的效率的功率放大器均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。逆變單元210的直流電感L0的一端與輸入端相連，另一端與E類(lèi)功率放大器S的漏極相連；E類(lèi)功率放大器S的漏極與直流電感的另一端相連，源極與輸入端相連；柵極與相應(yīng)的E類(lèi)功率放大器S的控制器件(在圖2中未畫(huà)出)相連。諧振單元220包括耦合電感221、第一電容C1和第二電容C2，用于通過(guò)諧振將逆變單元210輸出的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能。其中，耦合電感221包括發(fā)射線圈L1和接收線圈L2，且發(fā)射線圈L1通過(guò)耦合將轉(zhuǎn)換的直流電能傳遞至接收線圈L2并予以輸出。第一電容C1的一端分別與直流電感L0的另一端、E類(lèi)功率放大器S的漏極和第二電容C2的一端連接，另一端分別與輸入電源、E類(lèi)功率放大器S的源極和發(fā)射線圈L1的另一端連接；第二電容C1的一端分別與直流電感L0的另一端、E類(lèi)功率放大器S的漏極和第一電容C1的一端連接，另一端與發(fā)射線圈L1的一端相連；發(fā)射線圈L1連接在第一電容C1和第二電容C2之間。接收線圈L2與外接的負(fù)載電阻RL相串聯(lián)，用于為外接的負(fù)載電阻RL提供電能，且接收線圈L2無(wú)須額外的補(bǔ)償電路。通過(guò)本實(shí)施例的包括E類(lèi)功率放大器S的逆變單元210和諧振單元220所組成非接觸電能傳輸系統(tǒng)200，利用耦合電感221構(gòu)成E類(lèi)功率放大器S的諧振部分，并且，接收線圈L2也無(wú)須額外的補(bǔ)償電路，使得本發(fā)明的非接觸電能傳輸系統(tǒng)200的電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且無(wú)論外接的負(fù)載電阻RL如何變化，均能夠滿足E類(lèi)功率放大器S的零電壓的軟開(kāi)關(guān)條件。進(jìn)一步地，本實(shí)施例搭建了一個(gè)完整的非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型，使用該模型進(jìn)行仿真，來(lái)證明本實(shí)施例的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率不受外接負(fù)載的影響。非接觸電能傳輸系統(tǒng)模型如圖3所示，將直流電壓源(其電壓大小為Ui)作為輸入電源接入至本實(shí)施例的非接觸電能傳輸系統(tǒng)，將外接的負(fù)載電阻RL與接收線圈L2串接在一起。并且，該仿真模型的關(guān)鍵參數(shù)如表一所示：表一非接觸電能傳輸系統(tǒng)的模型的仿真參數(shù)表參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值開(kāi)關(guān)頻率fs100kHz輸入電壓Ui100、150、200、268V直流電感L020mH第一電容C17.05nF第二電容4.34nF發(fā)射線圈L1172.9μH接收線圈L2512.3μH耦合系數(shù)k0.165、0.24、0.304并且，E類(lèi)功率放大器S的柵極和源極之間還串聯(lián)了一個(gè)由電壓源和電阻構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路(未在圖3中標(biāo)識(shí))，用于保證E類(lèi)功率放大器S的正常工作。并且，在本仿真模型中，該電阻的阻值為10Ω，該電壓源采用電壓為15、占空比50％的脈動(dòng)電壓源。使用耦合電感221的變壓器等效模型，圖3所示的模型可以等效為圖4所示的電路，即，耦合電感221等效為理想變壓器T、漏感L1k和勵(lì)磁電感Lm。其中，理想變壓器T的變比為n。漏感L1k的一端與第二電容C2的另一端連接，另一端分別與理想變壓器T的第一端和勵(lì)磁電感Lm的一端相連；勵(lì)磁電感Lm的一端分別與理想變壓器T的第一端和漏感L1k的另一端連接；另一端分別與直流電壓源、作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的E類(lèi)功率放大器S的源極、第一電容C1的另一端和理想變壓器T的第二端連接；外接的負(fù)載電阻RL連接在理想變壓器T的第三端和第四端之間；此時(shí)，負(fù)載電阻RL兩端的輸出電壓為Uo。進(jìn)一步，理想變壓器T把負(fù)載電阻RL折算到一次側(cè)等效成折算電阻R1，如圖5所示，即勵(lì)磁電感Lm的兩端并聯(lián)該折算電阻R1。并且，由于理想變壓器T的變比為n，那么折算電阻R1的阻值為RL/n2；此時(shí)折算電阻R1兩端的電壓為nUo。再將圖5中相并聯(lián)的勵(lì)磁電感Lm和折算電阻R1等效為串聯(lián)的電感和電阻，如圖6所示，等效后的串聯(lián)電感為L(zhǎng)ms和串聯(lián)電阻為R1S。漏感L1k和串聯(lián)電感LMS相串聯(lián)，作為諧振電感，且漏感L1k、串聯(lián)電感LMS和第二電容C2相串聯(lián)，構(gòu)成了E類(lèi)功率放大器S的諧振部分。并且，串聯(lián)電感LMS的感抗XLS和串聯(lián)電阻R1S與勵(lì)磁電感Lm和折算電阻R1的等效關(guān)系為：R1S＝R1/(1+q2)＝RL/(n2(1+q2))；(1)XLS＝XLm/(1+q-2)；(2)其中，q表示并聯(lián)的勵(lì)磁電感Lm和折算電阻R1的品質(zhì)因數(shù)：q＝XLm/R1；XLm表示勵(lì)磁電感Lm的感抗。根據(jù)公式(1)和公式(2)，不難算出折算電阻R1與串聯(lián)電感LMS的感抗XLS和串聯(lián)電阻R1S的關(guān)系，其中，折算電阻R1與串聯(lián)電阻R1S的關(guān)系如圖7所示，不論折算電阻R1，即負(fù)載電阻RL如何變化，其等效后的串聯(lián)電阻R1S的阻值最大就為勵(lì)磁電感Lm的感抗XLm的一半；折算電阻R1與串聯(lián)電感LMS的感抗XLS的關(guān)系如圖8所示，不論折算電阻R1如何變化，等效后的串聯(lián)電感LMS的感抗XLS始終小于勵(lì)磁電感的感抗XLm。由此不難看出，折算電阻R1經(jīng)過(guò)串聯(lián)等效后被限制在一定范圍內(nèi)，那么在設(shè)計(jì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)200的電路參數(shù)時(shí)，根據(jù)此等效串聯(lián)電阻R1S的極值進(jìn)行計(jì)算第一電容C1和第二電容C2的參數(shù)，就可使本實(shí)施例的非接觸電能傳輸系統(tǒng)200不受外接的負(fù)載電阻RL變化的影響，總是滿足電力電子變換電路的E類(lèi)功率放大器S的軟開(kāi)關(guān)條件，從而保證了電能傳輸?shù)男?。進(jìn)一步地，采用表1所示的參數(shù)進(jìn)行仿真：將負(fù)載電阻RL的阻值分別設(shè)置為5Ω、15Ω和45Ω。此時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的負(fù)載電阻RL，E類(lèi)功率放大器S的漏源電壓Vcp波形與輸出電壓Uo(圖9中用Vout表示)的波形如圖9所示。從E類(lèi)功率放大器S的漏源電壓Vcp的波形不難看出，不論負(fù)載電阻RL如何變化，作為半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的E類(lèi)功率放大器S都能夠保持其處于零電壓時(shí)的開(kāi)通條件，且輸出電壓Uo(圖9中用Vout表示)的波形雖然也隨著負(fù)載電阻RL發(fā)生變化，但卻始終輸出為正弦波形。綜上所述，本發(fā)明的一種非接觸電能傳輸系統(tǒng)使用包括E類(lèi)功率放大器的電路電子變換電路，開(kāi)關(guān)元件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；并且，除了基本的諧振電感(發(fā)射線圈L1)和電容(第一電容C1和第二電容C2)外，不再需要其他的補(bǔ)償元件；并且，本發(fā)明的非接觸電能傳輸系統(tǒng)的E類(lèi)功率放大器的軟開(kāi)關(guān)條件不受外接負(fù)載電阻的影響，在保證了系統(tǒng)可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)了電能的高效率傳輸。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3