脈沖注入型感應(yīng)耦合式無線能量傳輸裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，屬于無線電能傳輸技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 感應(yīng)禪合式無線能量傳輸領(lǐng)域的發(fā)展和研究成果表明，提高系統(tǒng)工作頻率并采用 高品質(zhì)因數(shù)諧振網(wǎng)絡(luò)，可W有效增加感應(yīng)禪合式無線能量傳輸系統(tǒng)的有效傳輸距離。在感 應(yīng)禪合式無線能量傳輸系統(tǒng)中，諧振網(wǎng)絡(luò)線圈中的高頻交流電由發(fā)射端逆變器產(chǎn)生。在大 部分的逆變器拓?fù)渲?，為了產(chǎn)生一定頻率的諧振電流，逆變器中開關(guān)管的工作頻率必須與 諧振頻率相同，隨著工作頻率的升高，開關(guān)管的開關(guān)損耗會超過傳輸損耗，反而導(dǎo)致整體傳 輸效率的降低。同時(shí)，常用的功率開關(guān)管開關(guān)速度都不高，在超過100曲Z的頻率上工作時(shí)性 能會嚴(yán)重下降，因此盡管中低頻的感應(yīng)禪合式無線能量傳輸系統(tǒng)（10~20kHz)傳輸距離較 近，但可W實(shí)現(xiàn)高達(dá)數(shù)十千瓦的傳輸功率，而高頻裝置雖然傳輸距離遠(yuǎn)，但最多也只能傳輸 數(shù)十瓦。
[0003] 專利1:一種高效率的電能發(fā)射端和無線電能傳輸裝置，申請?zhí)?01510624656.5， 該發(fā)明提供的一種高效率的電能發(fā)射端和無線電能傳輸裝置，通過軟開關(guān)控制電路控制逆 變電路中開關(guān)管的兩端電壓波形，使得在開關(guān)管關(guān)斷期間能夠在零電壓開通，減小開關(guān)功 耗;同時(shí)通過電流調(diào)節(jié)電路控制原邊發(fā)射電流為恒定頻率、恒定幅值的電流，W保證原邊發(fā) 射能量不受禪合和負(fù)載變化影響。
[0004] 專利2: -種用于無線電能傳輸?shù)母弑额l逆變電路，申請?zhí)?01510315212.3，該發(fā) 明提供一種用于無線電能傳輸?shù)母弑额l逆變電路，通過多橋臂移相的方式，生成具有一定 相位差的方波功率信號并進(jìn)行疊加輸出，基于傅里葉級數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)逆變輸出頻率為開關(guān) 頻率的η倍的效果。
[0005] 上述專利雖然一定程度上減少了開關(guān)損耗或?qū)崿F(xiàn)了能量的恒定輸入，但沒有完全 實(shí)現(xiàn)能量的獨(dú)立輸入，且專利2實(shí)現(xiàn)電路成本較高且過于復(fù)雜。有研究人員提出了離散注入 型的發(fā)射端控制方式，即保持輸入電壓不變，使逆變器間歇性工作，讓諧振網(wǎng)絡(luò)W自由振蕩 的形式傳遞能量。運(yùn)一工作方式雖然可W降低逆變器的開關(guān)頻率，然而它并沒有完全實(shí)現(xiàn) 離散能量注入的功能。由于振蕩電流衰減的速度與接收端負(fù)載狀況相關(guān)，當(dāng)接收端負(fù)載足 夠大，使得每個(gè)諧振周期內(nèi)逆變器注入諧振網(wǎng)絡(luò)的能量可W在一個(gè)周期內(nèi)衰減掉，則逆變 器開關(guān)頻率就會與諧振頻率相同。不僅如此，由于該方法中的能量注入是通過在諧振過程 中將電源接入諧振網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，因此諧振網(wǎng)絡(luò)中的阻抗和儲能情況會影響電源在接入期間 輸出的功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提出了一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量 傳輸裝置。主要目的是通過感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置的離散脈沖式能量注入控制方 式，使裝置w遠(yuǎn)低于諧振頻率的脈沖注入頻率向接收端傳輸能量，避免由于開關(guān)管工作頻 率過高而產(chǎn)生的開關(guān)損耗，提高裝置無線能量傳輸效率，并通過對裝置發(fā)射端逆變器拓?fù)?的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，徹底地將裝置注入能量與開關(guān)頻率、諧振網(wǎng)絡(luò)W及接收端負(fù)載狀況解 禪，完全實(shí)現(xiàn)裝置的離散脈沖式能量注入功能。
[0007] 本發(fā)明的目的是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 本發(fā)明提出一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，包括低 頻脈沖能量儲存單元、脈沖能量轉(zhuǎn)移單元、高頻諧振發(fā)射單元、接收端諧振單元；
[0009] 直流電源向低頻脈沖能量儲存單元提供注入能量，低頻脈沖能量儲存單元與脈沖 能量轉(zhuǎn)移單元相連接，再與高頻諧振發(fā)射單元相連，高頻諧振發(fā)射單元通過發(fā)射線圈Lt與 接收線圈以的禪合諧振向接收端諧振單元傳輸能量，接收端諧振單元接收能量并向負(fù)載電 阻Rr供電；
[0010]所述低頻脈沖能量儲存單元包括開關(guān)管Si、吸收電容Cl、禪合電感Li，開關(guān)管S痛 接在直流電源和禪合電感b之間;吸收電容Cl并聯(lián)在開關(guān)管Si功率端兩端；
[0011] 所述的脈沖能量轉(zhuǎn)移單元包括禪合電感L2、二極管化、開關(guān)管S2、緩沖電容C2,禪合 電感L2與禪合電感^禪合連接，并和二極管化的正極相連接，開關(guān)管S2、緩沖電容C2都并聯(lián)在 二極管化的負(fù)極和接地端之間。
[0012] 本發(fā)明提出一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述低 頻脈沖能量儲存單元和脈沖能量轉(zhuǎn)移單元的工作頻率相同，該工作頻率遠(yuǎn)低于高頻諧振發(fā) 射單元的諧振頻率。
[0013] 本發(fā)明提出一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述高 頻諧振發(fā)射單元包括發(fā)射線圈Lt、發(fā)射補(bǔ)償電容打、發(fā)射線圈電阻Rt;發(fā)射線圈Lt、發(fā)射補(bǔ)償 電容打、發(fā)射線圈電阻化組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)在緩沖電容C2兩端。
[0014] 本發(fā)明提出一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述接 收端諧振單元包括接收線圈k、接收補(bǔ)償電容Cr、負(fù)載電阻Rr;接收線圈以、接收補(bǔ)償電容Cr、 負(fù)載電阻Rr組成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射線圈Lt與接收線圈k的禪合系數(shù)為K。
[0015] 本發(fā)明提出一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，所述低 頻脈沖能量儲存單元中的禪合電感^應(yīng)數(shù)為禪合電感L2應(yīng)數(shù)的η倍，η大于等于2。
[0016] 本發(fā)明提出一種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置，其特征在于，根據(jù)裝 置中開關(guān)狀態(tài)的不同，電路工作過程具體包括四個(gè)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0017] 步驟Α:開關(guān)管Si與S2觸發(fā)導(dǎo)通，左側(cè)直流電源為禪合電感b充電，右側(cè)高頻諧振發(fā) 射單元W自由振蕩形式傳輸能量，此為模態(tài)1;
[0018] 步驟B:開關(guān)管Si斷開，S2保持導(dǎo)通，禪合電感b中儲存的能量在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到 禪合電感L2中，如果禪合電感^與禪合電感L2不是完全禪合，則需要利用吸收電容Cl對漏感 能量進(jìn)行吸收，吸收掉的漏感能量會沿著由吸收電容Ci，直流電源和禪合電感b組成的諧振 回路向禪合電感^釋放，在禪合電感b上會形成一個(gè)反向的電流，被吸收電容Cl吸收的能量 被完全釋放后，開關(guān)管Si內(nèi)部的體二極管會導(dǎo)通，禪合電感^中的能量將回饋到直流電源中 去，此為模態(tài)2;
[0019] 步驟C:斷開開關(guān)管S2,禪合電感L2中的能量轉(zhuǎn)移到高頻諧振發(fā)射單元中，此為模態(tài) 3,具體步驟如下：
[0020] 步驟Cl:禪合電感L2中的能量必須完全釋放并轉(zhuǎn)移到緩沖電容和高頻諧振發(fā)射單 元中，
[0021] 步驟C2:緩沖電容C2與發(fā)射線圈Lt、高頻諧振發(fā)射單元中的發(fā)射補(bǔ)償電容打形成一 個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)，緩沖電容C2中的能量W振蕩的形式被轉(zhuǎn)移到高頻諧振發(fā)射單元中，
[0022] 上述C1、C2兩個(gè)步驟實(shí)際是同時(shí)進(jìn)行的，但是第一步必須比第二步提前完成；
[0023] 步驟D:緩沖電容C2中的能量完全釋放后，將開關(guān)管S2導(dǎo)通，形成發(fā)射線圈Lt-發(fā)射 補(bǔ)償電容Ct-發(fā)射線圈電阻Rt-開關(guān)管S2的發(fā)射諧振網(wǎng)絡(luò)，并與接收端諧振單元形成磁禪合 諧振，此為板態(tài)4。
[0024] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果：
[0025] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，利用裝置不同開關(guān)狀態(tài)和模態(tài)的切換，將裝置能量注入 過程與振蕩傳能過程分離，使得裝置能量注入徹底與開關(guān)頻率、諧振網(wǎng)絡(luò)W及接收端負(fù)載 狀況解禪，完全實(shí)現(xiàn)裝置的離散脈沖式能量注入。
[0026] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，根據(jù)設(shè)計(jì)的發(fā)射端逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每次脈沖注入 諧振網(wǎng)絡(luò)的能量僅僅與低頻脈沖能量儲存單元的充電時(shí)間有關(guān)，而無需增加開關(guān)頻率，避 免了開關(guān)管高頻率開通導(dǎo)致的開關(guān)損耗，提高裝置無線能量傳輸效率。
[0027] 本發(fā)明的一個(gè)效果在于，根據(jù)設(shè)計(jì)的發(fā)射端逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)接收端負(fù)載變化 時(shí)，只需改變每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)低頻脈沖能量儲存單元充電時(shí)間，即只改變開關(guān)管Si占空比。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明中脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置結(jié)構(gòu)框圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明中脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置拓?fù)鋱D；
[0030] 圖3是本發(fā)明中脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置的四個(gè)工作模態(tài)示意 圖，（a)表示模態(tài)1，（b)表示模態(tài)2，（C)表示模態(tài)3，（d)表示模態(tài)4;
[0031 ]圖4是本發(fā)明中脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置四個(gè)工作模態(tài)對應(yīng)的理 想電壓電流波形圖；
[0032] 圖5(a)是本發(fā)明中從禪合電感L2轉(zhuǎn)移到高頻諧振發(fā)射單元的能量轉(zhuǎn)移過程第一 步示意圖；
[0033] 圖5(b)是本發(fā)明中從禪合電感L2轉(zhuǎn)移到高頻諧振發(fā)射單元的能量轉(zhuǎn)移過程第二 步示意圖。
[0034] 附圖中，各標(biāo)號所代表的部件：1、低頻脈沖能量儲存單元2、脈沖能量轉(zhuǎn)移單元 3、高頻諧振發(fā)射單元4、接收端諧振單元5、直流電源6、開關(guān)管Si 7、吸收電容Cl 8、禪合 電感b 9、禪合電感L2 10、二極管化11、開關(guān)管S2 12、緩沖電容C2 13、發(fā)射線圈Lt 14、發(fā)射 補(bǔ)償電容打15、發(fā)射線圈電阻化16、接收線圈以17、接收補(bǔ)償電容Cr 18、負(fù)載電阻Rr。
【具體實(shí)施方式】
[00對實(shí)施例：
[0036] -種脈沖注入型感應(yīng)禪合式無線能量傳輸裝置包括低頻脈沖能量儲存單元1、脈 沖能量轉(zhuǎn)移單元2、高頻諧振發(fā)射單元3、接收端諧振單元4;
[0037] 直流電源5向低頻脈沖能量儲存單元1提供注入能量，低頻脈沖能量儲存單元1與 脈沖能量轉(zhuǎn)移單元2相連接，再與高頻諧振發(fā)射單元3相連，高頻諧振發(fā)射單元3通過發(fā)射線 圈Lt13與接收線圈kl6的禪合諧振向接收端諧振單元4傳輸能量，接收端諧振單元4接收能 量并向負(fù)載電阻Rrl8供電；
[0038] 所述低頻脈沖能量儲存單元1包括開關(guān)管Si6、吸收電容Ci7、禪合電感^，開關(guān)管 Si6連接在直流電源5和禪合電感之間；吸收電