[发明专利]基于非接触滞环调节的无线电能传输装置及控制方法

说明书

本发明公开一种基于非接触滞环调节的无线电能传输装置及控制方法，属于无线电能传输技术领域。该装置包括由激励源、原边逆变电路、原边补偿网络、原边线圈L₁、副边线圈L₂、副边补偿网络、整流滤波电路和负载依次级联而成的功率传输单元，还包括：信号反馈单元、双功能检测线圈L₃与闭环控制单元；本发明克服了现有输出状态信息反馈方法实现复杂，动态响应速度过慢的缺点，具有检测便捷、传输延迟小、动态响应快的特点。并通过复用具有双功能双频信息检测功能的双功能检测线圈L₃，同时传输携带有副边输出状态信息的高频载波频率信号和原边线圈L₁或副边线圈L₂电流的相位信息，实现简单，大大减小装置复杂度、体积和成本。

技术领域

本发明属于无线充电领域，涉及一种基于非接触滞环调节的无线电能传输装置及控制方法。

背景技术

感应式无线电能传输技术以非接触方式，通过磁场向用电设备进行安全可靠的电能传输，在电动汽车、AGV小车、内置式医疗装置、便携型电子产品等领域得到了广泛应用。实际应用中，IPT系统中耦合机构的原副边完全分离，错位、间隙变化不可避免，由此引起互感、耦合系数等参数的变化。考虑到耦合机构及用电负载的稳态及动态参数的变化，IPT系统需要有可靠、快速的控制方法，以满足不同的功率需求，适应耦合系数的大范围变化(通常为0.1～0.3)和负载的突变，来获得稳定输出(恒压/恒流/恒功率输出)，并具备良好的动态特性。

原边控制方法通过在副边实时检测输出电压、电流信息，然后将检测信息通过无线通信的方式发送到原边，原边控制器根据接收到的电压、电流信息进行相应的控制以达到对输出量的直接控制。原边控制方法在实现副边小型化、轻量化上具有天然的优势，仅在原边侧进行信号的检测与调控，用电设备端无需控制芯片及外围电路，有着成本低、设计简单、体积小等优点，在中小功率植入式医疗设备、便携式电子设备等领域具有广阔的应用前景。

同时，在变参数条件下，要实现副边完全谐振，就需要检测副边电流的相位信息。此外，副边谐振还是保证最大功率传输的条件，这同样需要检测副边电流的相位信息。因此，在原边检测副边的电流相位信息的控制方法已成为许多非接触变换器控制方法的关键点之一。同样，为了实现原边逆变电路开关管的软开关，通常也需要检测原边电流的相位信息。

自激控制利用变换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性动作，相比他激控制，系统结构简单，可靠性高，动态响应快。例如K.Yan,Q.Chen,J.Hou,et al,Self-oscillating contactless resonant converter with phase detection contactlesscurrent transformer[J],in IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(8):4438-4449通过检测S/S补偿拓扑副边电流的过零点产生原边开关管的驱动信号，使得系统能自动追踪与负载和耦合系数均无关的固定增益频率。在此基础上，L.Xu,Q.Chen,X.Ren,et al.Self-oscillating resonant converter with contactless power transfer andintegrated current sensing transformer[J].IEEE Trans.Power Electron.,2017,32(6):4839–4851将相位检测线圈与原边功率线圈进行了集成，提出了三线圈结构的自激式S/S补偿谐振变换器，以提高功率密度。相位检测线圈与副边功率线圈构成了非接触电流互感器，实现副边电流相位的检测。由于谐振腔的电流直接受互感等参数的影响，故自激控制可以自动快速响应主电路的参数变化。但这些自激控制方法只能保证输出电压的基本稳定，其输出本质上还是开环控制。实际输出电压因负载变化、线路寄生阻抗以及电流相位检测误差等原因，波动较大。