[发明专利]一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法

说明书

本发明公开了一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法，该系统包括直流电源、高频逆变装置、原边无功补偿机构、互感耦合机构、副边无功补偿机构、整流滤波装置以及可变负载。其特征在于：通过互感耦合机构实现了原、副边电能的无线传输，互感耦合机构副边拾取到的高频正弦交流电通过整流滤波装置进行整流滤波后，输出电流恒定且系统整体工作于完全谐振状态，不会随负载的改变而改变，满足电流型可变负载的供电需求。其显著效果为：通过一定的原、副边无功补偿机构拓扑设计与系统参数设计，实现了系统在变负载条件下的负载电流与原边谐振电流的恒定输出，并保证了系统工作频率的稳定性，系统整体结构简单，工作安全可靠。

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种恒流恒频感应耦合传输系统及其设计方法。

背景技术

近年来，无线电能传输技术得到了飞速发展，应用此技术的产品不断增多。其中，感应耦合电能传输(ICPT)技术是基于电磁感应原理的一种灵活、实用和新型的无线电能传输技术，在医疗、交通、机器人和石油开采等领域得到了广泛应用。在工业应用中，恒流源常被应用于电池充电、自动化仪表与传感器供电及LED驱动等。

在ICPT系统设计中，为了提高系统带负载能力，在负载切入、切出及变化时，通常要求系统输出给负载的电流近似恒定；而为了提高系统带多个拾取负载的能力，通常要求系统原边谐振电流及系统谐振工作频率近似恒定。为了实现上述目标，目前的研究主要集中在针对不同的控制目标分别引入闭环负反馈控制。如为了保证系统输出给负载的电流恒定，文献《非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用研究》提出在整流环节后串接DC-DC变换器，实现对输出电流的恒定控制。为了保证系统原边谐振电流恒定，文献《感应电能传输系统能量注入控制方法研究》提出能量注入的控制方法，通过控制注入谐振网络能量的多少来控制原边谐振电流的幅值大小；文献《感应电能传输系统参数辨识与恒流控制》通过在逆变器的输入端串入DC-DC环节，调节逆变器母线电压，改变原边谐振电流；文献《非接触电能传输系统恒流控制策略》提出采用移相控制策略，通过检测实际谐振电流有效值与参考电流有效值之间的偏差，调节开关管脉冲移相角来控制原边谐振电流。为了保证系统始终工作于完全谐振状态，文献《A frequency control method for regulatingwireless power to implantable devices》提出基于开关电容的谐振参数在线调整方法，通过控制电容的导通时间，以实现系统谐振工作频率恒定；与此类似，文献《非接触电能传输系统的频率稳定性研究》提出了基于相控电感的谐振参数在线调整策略，通过实时调整相控电感的导通角，改变并联在谐振网络上等效电感值，从而维持系统谐振工作频率的恒定。

上述控制方法虽然实现了其控制目标，提高了系统控制精度，但同时增加了系统成本，使系统结构较复杂，势必会降低系统的安全性以及可靠性。

发明内容

针对目前ICPT系统设计中，为了使负载输出电流恒定、原边谐振电流恒定以及系统谐振工作频率稳定，引入针对不同控制目标的闭环负反馈控制，从而导致系统结构复杂，成本高，安全性低及可靠性差的问题，本发明提出了一种新型复合谐振型感应耦合电能传输系统，通过系统结构设计与参数设计来自然满足上述各控制目标，既简化了系统结构，节约了系统成本，又提高了系统的安全性与可靠性。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：该系统包括直流电源、高频逆变装置、原边无功补偿机构、互感耦合机构、副边无功补偿机构、整流滤波装置以及可变负载。

直流电源经高频逆变装置产生高频方波交流电，高频方波交流电经原边无功补偿机构、互感耦合机构以及副边无功补偿机构传输到负载侧，经整流滤波装置后给电流型可变负载提供恒定直流电。

所述原边无功补偿机构采用电感、电容串并联补偿方式，其中，原边无功补偿机构中的电容C_p与互感耦合机构中的原边漏感L_σ1发生并联谐振，且与原边无功补偿机构中的电感L₁也发生并联谐振。