[发明专利]一种半桥谐振无线能量传输系统

摘要

一种半桥谐振无线能量传输系统，涉及无线能量传输。半桥谐振无线能量传输系统设有直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路。控制方法包括以下步骤：实现输出功率的调节；实现系统谐振状态的维持。通过电感耦合的方式进行电能的无线传输，通过在半桥逆变电路前级增加BUCK电路，实现不同功率条件下系统的谐振状态维持，实现高效率的电能传输。

主权项

1.一种半桥谐振无线能量传输控制方法，其特征在于：设有直流电源、BUCK电路、半桥逆变电路、第一谐振器、第二谐振器和辅助电路；所述BUCK电路设有功率控制开关S、续流二极管D、功率控制电感L和滤波电容C₀；所述半桥逆变电路设有第一电容C₁、第二电容C₂、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第一二极管D₁和第二二极管D₂；所述第一谐振器包括第一电容C₁、第二电容C₂和谐振器能量发射线圈L₁；所述第二谐振器包括谐振器能量接收线圈L₂和谐振电容C₃；所述辅助电路设有能量发射端无线交互单元、能量接收端无线交互单元、第一电流电压检测电路、第二电流电压检测电路、单片机信号处理电路、逆变控制电路、功率控制器；所述直流电源输出端接至BUCK电路，所述BUCK电路利用斩波将直流电源输出的直流恒定电压转化为可调直流电压U_in；所述可调直流电压U_in作为母线电源连接到所述半桥逆变电路；所述半桥逆变电路将可调直流电压U_in逆变为高频交流电压作为激励源连接至第一谐振器；所述第一谐振器通过所述谐振器能量发射线圈L₁实现高频电能至高频磁场能的转化，将电能以磁场能的方式发送至所述第二谐振器；所述第二谐振器通过所述谐振器能量接收线圈L₂感应耦合高频磁场获取磁场能，与所述谐振电容C₃发生谐振；所述第二谐振器谐振产生正弦电压信号，接至阻性负载R_L，为负载R_L提供电能；所述第一电流电压检测电路采样所述谐振器能量发射线圈L₁的电流和第二电容C₂的电压，其输出端与所述单片机信号处理电路相连；所述第二电流电压检测电路采样所述谐振器能量接收线圈L₂的电流和谐振电容C₃的电压，其输出端与能量接收端无线交互单元相连，并将采样的电流和电压信息以无线的方式传送至所述能量发射端无线交互单元；所述单片机信号处理电路与逆变控制电路、能量发射端无线交互单元相连；所述单片机信号处理电路通过分析能量发射端和能量接收端的电流和电压信号，利用功率控制器进行输入输出功率的调节；所述控制方法包括以下步骤：步骤1输出功率的调节：单片机信号处理电路通过能量发射端无线交互单元与能量接收端无线交互单元通信，请求并接收能量接收端的当前功率、能量接收端的目标功率、能量接收端的当前有功功率、能量接收端的当前无功功率数据；利用接收到的当前功率和目标功率并通过PID算法求得驱动信号的占空比，并驱动BUCK电路，然后判断功率是否匹配，从而进行输入功率的调节；输入功率大小的调节公式为：其中，P为半桥逆变电路的输入功率，U_in为BUCK电路输出的可调直流电压U_in、ω为第一谐振器的角频率、M为谐振器能量发射线圈L₁与谐振器能量接收线圈L₂之间的互感，R_L为系统负载；其原理为利用功率控制器驱动BUCK电路实现可调直流电压U_in大小的变化，从而实现半桥逆变电路的输入功率P的调节，进而调节能量接收端输出功率；步骤2谐振状态的维持，实时保证半桥逆变电路的逆变频率与第一谐振器的固有谐振频率一致，系统即可维持谐振状态，具体流程为：流程(1)第一电流电压检测电路实时监测采样第一谐振器中谐振器能量发射线圈L₁与第二电容C₂的电流和电压相位、幅值信息；流程(2)单片机信号处理电路根据谐振器能量发射线圈L₁与第二电容C₂的电流和电压相位、幅值信息求得第一谐振器的固有谐振频率及第一开关管S₁与第二开关管S₂开关时序；所述开关时序为：第一步：第一开关管S₁导通第二开关管S₂关断，时间为t₁；第二步：第一开关管S₁关断第二开关管S₂关断，时间为t₂；第三步：第一开关管S₁关断第二开关管S₂导通，时间为t₃；第四步：第一开关管S₁关断第二开关管S₂关断，时间为t₄；而系统谐振时半桥逆变电路的工作周期为T，其中，T＝t₁+t₂+t₃+t₄，t₁＝t₃，t₂＝t₄，t₂＜＜t₁，因此确定t₁即确定T；流程(3)单片机信号处理电路通过逆变控制电路调整半桥逆变电路的逆变频率和第一开关管S₁与第二开关管S₂开关时序；流程(4)第一电流电压检测电路采样第一谐振器中谐振器能量发射线圈L₁与第二电容C₂电流和电压相位、幅值信息，求得第一谐振器的固有谐振频率；流程(5)比较当前半桥逆变电路的逆变频率与第一谐振器的固有谐振频率是否匹配，匹配则进入流程(4)，不匹配进入流程(3)。