[发明专利]一种非接触式的大功率能量传输系统及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触式的大功率能量传输系统及应用装置，系统的效率和稳定性可以满足实际应用的要求。

背景技术

目前，工业生产中使用的电气设备通常采用接触的方式，通过插头直接与电网连接。这种电能传输模式容易产生接触火花、在一些比较特殊的环境下(譬如含有易燃易爆气体的厂矿、生产车间等)，接触电火花的存在可能给生产活动带来重大灾难。另外，在海洋船舶等应用场合，接触式的电气接触还容易由于潮湿等情况造成短路故障，极大降低了设备工作的稳定性和可靠性。

对于非接触式的能量传输系统，通常采用电磁感应式的方式。但是，工业生产中电能传输功率通常达到几百瓦到几个千瓦，因此能量传递的效率和稳定性成为这项技术实际应用的关键因素。对于非接触式的能量变换系统，通常需要将初级回路的电流进行高频化，以此来提高系统的功率密度，减小器件体积，提高系统的传输效率。由于采用大功率的变换电路、开关器件等，这些都会导致系统的能量传递效率的降低。对于一般的非接触能量传输系统，初级回路到次级回路一般存在2～4级变换，设计较好的系统的效率一般也就在70～80％之间，20～30％的电能会在系统中以热的形式耗散掉。这样的效率对于小功率的设备，如手机充电等还可以在实际应用中被接受。但是，对于几百瓦到几千瓦的大功率设备而言，这样的效率会造成大量的能源的浪费，并且大量的生热会造成系统的稳定性降低，甚至烧毁器件和设备。

对于大功率的非接触式能量传输系统，系统能量输出效率的降低主要有如下几个原因：

一、当系统的器件参数发生漂移或扰动时，或是负载发生变化时(如多个负载中的某个负载被加入或移除时)，这些都会造成系统的谐振频率发生变化，导致开关器件的开关频率与系统的谐振频率发生偏移，从原边传递到副边的能量迅速降低；

二、由于开关器件的开启与关断存在一定的延迟，导致软开关控制的开关器件很难做到在谐振电压为零时关断，谐振电流为零时开启，造成在高频逆变电路中产生环流。通常环流的峰值为开关管中正常工作时的电流的几倍，造成开关器件的生热，最终导致器件或系统的失效。

三、当系统处于待机状态时，为了实现负载加入或移除时系统能够自动开启或关闭，通常系统原边的主电路会处于工作状态。由于非接触电能传输系统中存在大量的电容和电感等储能器件，这样就会造成待机功耗高，对于大功率系统这个问题尤为突出，使系统处于待机状态时仍损耗大量的功率。

四、开关器件自身存在固有的能耗损失，如IGBT或MOSFET等半导体功率器件，在其工作时自身就会有一定的功耗损失。这种损失通常不能通过系统的控制设计的优化来提高。

发明内容

针对上述大功率非接触式能量传输系统在应用中遇到的技术难题，本发明提出了一种能够实现大功率的非接触能量传输系统的设计方法，可以提升系统的效率和稳定性，具有节能的显著特点，可以实现大功率非接触式能量传输系统的实用化。

本发明的非接触式的能量传输系统包括发射端、接收端、负载、待机电路、能量收集与转换系统五部分。发射端包括发射端电路与发射线圈、控制电路和反馈电路；接收端包括接收端电路和接受线圈。

发射端电路包括功率变换单元和逆变电路单元。功率变换单元接受整流后的直流输入，并与控制电路及逆变电路相连。当控制电路输出不同的PWM波形时，功率变换单元可以输出不同的直流电压。逆变电路与功率变换电路、主控制电路及谐振线圈相连。当控制电路输出不同的PWM控制信号时，逆变电路输出不同频率的谐振电压波形。

原边和副边谐振线圈由一组电容、电阻和电感器件组成。当在谐振线圈中输入高频的交流电时，原边的发射线圈与副边的接受线圈通过感应电动势，透过空气磁路进行非接触式的能量传输。

主控制电路为数字信号处理器(DSP)，具有数据处理、信号采样和保持、输出一定占空比的PWM波形等功能。DSP输出的控制信号经过放大和变换电路，输出给开关管的驱动电路，控制开关器件按照设定的频率进行开启和关断。

反馈电路包括谐振线圈的输入电压和输出电流的采样电路。谐振电压采样后可以经过变换电路，输出固定频率的方波波形，可以获得谐振电路的频率信息。反馈电路所采集的电压和电流信号都可以输入到DSP中，与设定的参考值进行比较后输出调整后的控制信号。

副边接收端电路主要包括整流滤波电路，功率变换电路，给负载输出电源。