一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统与控制方法

1.本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统与控制方法。


背景技术：

2.传统电能传输方式通过金属导体直接接触，实现电能的长、短距离传输，具有极高的传输效率。随着社会的发展，越来越多的用电设备开始转变为便携式移动设备,传统的“插座-插头-导线”的连接方式限制了设备的灵活性，且需要用到大量电池以及充电器，这样的变化会出现更多的电源电线插拔动作，容易造成金属导体磨损。无线电能传输技术(wireless power transfer,wpt)是一种非导线接触的电能传输方式，该技术基于电磁原理，综合利用电力电子技术、磁场耦合技术以及谐振变换技术，借助现代控制理论和策略，实现了电能的无线传输，让用电设备脱离导线的束缚，具有便捷灵活、安全可靠等优点，开创了电能传输的全新模式。
3.针对传统wpt系统在交流负载情况下存在效率低、控制复杂、功率因数和功率密度低、成本高，体积等弊端，基于包络调制的wpt系统应运而生，该技术结合负载功率、能量形式以及输入电能形式，对一次侧电能进行包络调制，再通过对二次侧包络能量进行解调得到负载所需能量，去掉直流调压与大电容滤波环节，将低频电源调制为包络形式的高频电能从而实现无线电能传输。包络调制技术应用于wpt系统中，可降低系统成本及控制难度，提高系统传输功率以及效率。
4.根据目前可查阅到的相关文献，目前包络调制的wpt系统其逆变电路皆采用半桥、全桥结构进行无线电能传输，半桥、全桥结构逆变电路成本更高，存在驱动电路复杂、桥臂直通等问题。
5.单开关管逆变电路具有结构简单、开关管数量少、驱动方便、易实现零电压开通等优点，但是输出电压电流总谐波失真(thd)较高、且输出交流电压仅为半波、系统中无功功率较大，不适宜直接作为包络调制的wpt系统逆变电路。
6.因此设计一种具有结构简单、开关管数量少、驱动方便、易实现零电压开通等优点的基于单管逆变的包络调制的wpt系统，具有非常大的实用价值。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明首先提供一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，通过采用单管逆变电路作为无线电能发射端的逆变主拓扑，电路拓扑结构简单、开关管数量少、驱动方便，极大地降低了系统的整体体积与成本，该系统易实现零电压开通，输出电压波形近似正弦波，解决了传统单管逆变拓扑输出电压波形近似半波的不足。
8.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
9.一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其关键在于，所述发射端包括输入交流电源、双绕制交流变压器、整流滤波电路、dc/dc模块、单管逆
变发射电路、第一控制模块和驱动电路模块，所述接收端包括接收电路、高频包络解调网络、用电负载、过零检测模块和第二控制模块；
10.所述输入交流电源连接在所述双绕制交流变压器的初级绕组上，所述双绕制交流变压器的一个次级绕组经过所述整流滤波电路后与所述dc/dc模块连接，所述dc/dc模块的一个输出端串接所述双绕制交流变压器的另一个次级绕组后与所述单管逆变发射电路的一端连接，所述dc/dc模块的另一个输出端与所述单管逆变发射电路的另一端连接，所述单管逆变发射电路通过开关元件改变电路工作模态使得发射线圈输出高频磁场；所述接收电路通过磁场耦合获取无线能量，并通过所述高频包络解调网络后为所述用电负载供电，所述第二控制模块通过所述过零检测模块获取所述接收电路的输出包络电压状态从而得到控制信号，并发送至所述第一控制模块，所述第一控制模块获取所述控制信号，并通过所述驱动电路模块控制所述dc/dc模块和所述单管逆变发射电路中的开关元件。
11.可选地，所述单管逆变发射电路包括串行连接的谐振电感、发射线圈和谐振电容，在所述发射线圈上并联设置补偿电容，在所述谐振电容上并联设置开关元件。
12.可选地，所述dc/dc模块包括级联设置的buck降压拓扑单元和boost升压拓扑单元。
13.可选地，所述单管逆变发射电路和所述dc/dc模块中的开关元件均为增强型nmos管。
14.可选地，所述第一控制模块上连接有第一蓝牙模块，所述第二控制模块上连接有第二蓝牙模块，所述第一控制模块和所述第二控制模块之间通过蓝牙通信传输所述控制信号。
15.基于上述系统，本发明还提供一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的控制方法，其关键在于，包括以下步骤：
16.s1：检测接收电路输出包络电压状态；
17.s2：判定是否处于欠包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块降压，并返回步骤s1；否则进入步骤s3；
18.s3：判定是否处于过包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块升压，并返回步骤s1；否则进入步骤s4；
19.s4：判定是否处于最佳包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块维持，否则返回步骤s1循环进行。
20.可选地，通过所述过零检测模块检测所述接收电路输出包络电压状态，并由所述第二控制模块判定其包络状态并形成控制信号。
21.可选地，所述dc/dc模块包括级联设置的buck降压拓扑单元和boost升压拓扑单元，所述第一控制模块通过所述驱动电路模块控制所述buck降压拓扑单元或/和所述boost升压拓扑单元中的开关元件实现降压和升压控制。
22.发明的显著效果是：
23.系统电路结构简单，开关器件少、驱动方便，能够有效简化控制策略，系统输入侧谐波含量少、功率因数高，且降低了输入电压波形带来的影响。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
25.图1为本发明具体实施例中给出的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的电路原理图；
26.图2为本发明具体实施例中dc/dc模块的电路原理图；
27.图3为本发明具体实施例中的交流包络调制无线电能传输系统互感等效模型图；
28.图4为接收电路输出电压包络状态图；
29.图5为具体实施例中的控制方法流程图；
30.图6为具体实施例中经过处理后的交流输入电压波形；
31.图7为具体实施例中发射端线圈两端包络电压波形；
32.图8为具体实施例中接收端输出包络电压波形；
33.图9为具体实施例中接收端负载电压波形；
34.图10为具体实施例中单管逆变发射电路的工作波形。
具体实施方式
35.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
36.如图1所示，本实施例提供一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括输入交流电源、双绕制交流变压器、整流滤波电路、dc/dc模块、单管逆变发射电路、第一控制模块和驱动电路模块，所述接收端包括接收电路、高频包络解调网络、用电负载、过零检测模块和第二控制模块；
37.输入交流电源连接在双绕制交流变压器t的初级绕组上，双绕制交流变压器t的一个次级绕组经过所述整流滤波电路后与所述dc/dc模块连接，所述dc/dc模块的一个输出端串接所述双绕制交流变压器的另一个次级绕组后与所述单管逆变发射电路的一端连接，所述dc/dc模块的另一个输出端与所述单管逆变发射电路的另一端连接，本发明去掉了ac-ac boost变换器，采用变压器直流注入能量的方法处理交流电负半周，通过向双绕组变压器输出的一个绕组中串入dc/dc变换器输出的直流电压来抬高输入交流电压，使其交流电压最小值恰好过零，此时系统输出包络交流电压也处于最佳包络状态。
38.具体实施时，单管逆变发射电路通过开关元件改变电路工作模态使得发射线圈输出高频磁场；所述接收电路通过磁场耦合获取无线能量，并通过所述高频包络解调网络后为所述用电负载供电；所述第二控制模块通过过零检测模块获取所述接收电路的输出包络电压状态从而得到控制信号，并发送至所述第一控制模块，所述第一控制模块获取所述控制信号，并通过所述驱动电路模块控制所述dc/dc模块和所述单管逆变发射电路中的开关元件。
39.从图1中可以看出，单管逆变发射电路包括串行连接的谐振电感lf、发射线圈l
p
和谐振电容cf，在所述发射线圈lp上并联设置补偿电容c
p
，在所述谐振电容cf上并联设置开关元件，这里的开关元件如图1中所示开关管q3。单管逆变发射电路分为lc谐振网络和lc补偿
网络两个部分组成，谐振电容cf、谐振电感lf构成lc谐振网络，补偿电容c
p
和发射线圈l
p
组成lc型补偿网络。通过在原边绕组lc型补偿网络中额外串入lc谐振电路进行谐振，lc型补偿网络作为补偿输出电路，将发射线圈l
p
作为输出线圈，通过耦合网络可输出全波正弦高频交流电。
40.在本实施例中，dc/dc模块包括级联设置的buck降压拓扑单元和boost升压拓扑单元，通过图2可以看出，buck降压拓扑单元主要通过控制开关管q1的占空比实现降压控制，boost升压拓扑单元主要通过控制开关管q2的占空比实现升压控制，在本例中开关管q1、开关管q2和开关管q3均为增强型nmos管，第一控制模块通过驱动电路模块控制开关管q1、开关管q2和开关管q3的开关状态即可实现整个系统的控制。
41.为了方便发射端和接收端的信号传输，所述第一控制模块上连接有第一蓝牙模块，所述第二控制模块上连接有第二蓝牙模块，所述第一控制模块和所述第二控制模块之间通过蓝牙通信传输所述控制信号。
42.为了进一步理解本发明的设计构思，下面以ps补偿耦合模型为基础对交流包络调制无线电能传输系统的补偿网络参数进行推导，系统等效拓扑如图3所示。交流阻抗分析法可探究交流包络调制无线电能传输系统的阻抗及频率特性，从频域角度对系统进行分析。
43.图3中ω为系统工作角频率，可得ps型无线电能传输系统发射端和接收端电路的kvl方程为：
[0044][0045]
在ps补偿结构中，为实现发射端与接收端之间的调谐匹配，补偿电容的大小应该满足：
[0046][0047]
求得输入电流i
in
、原边线圈电流i
p
、副边接收线圈is电流表达式为：
[0048][0049]
故输入阻抗表达式为：
[0050]
[0051]
其中
[0052]
从式(4)可以看出，电流i
in
与逆变器输出电压u
ab
同相位。
[0053]
基于上述分析，本实施例还提供一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的控制方法，主要分为发射电路逆变控制及系统包络调制两部分。
[0054]
发射电路逆变控制目的是使系统始终处于最佳谐振状态并实现逆变电路开关管处于软开关工作状态。具体控制方式采用扫频方式寻找最佳谐振状态，当负载变化范围较大时，第一控制模块通过pfm控制微调开关管pwm驱动信号工作频率达到最佳谐振状态，有效实现功率开关管的零电压开通(zero voltage switch，zvs)，达到在一定负载范围内的最好传输效果。
[0055]
系统包络调制目的是使系统传输品质最好、最终解调过后能得到一个输出电压总谐波失真(thd)最小的的近似正弦波交流电压。具体控制方式由过零检测模块检测接收电路输出包络电压状态得到控制信号，由第二控制模块经第二蓝牙模块将检测信号发送至第一蓝牙模块，经第一蓝牙模块将检测信号传递至第一控制模块。第一控制模块根据接收电路输出电压包络状态决定其控制dc/dc模块升降压，从而提升输入交流电压的幅值，使输入交流电压最小值刚好过零。此时，使得系统接收电路输出电压处于最佳包络状态。
[0056]
结合图4和图5可以看出，当接收电路输出电压包络线形状如图4中(a)部所示时，说明系统处于欠包络状态，此时需要dc/dc模块降低输出电压，使接收电路输出电压包络恰好处于最佳包络状态。
[0057]
当接收电路输出电压包络线形状如图4中(b)部所示时，说明系统处于过包络状态，此时需要dc/dc模块升高输出电压，使接收电路输出电压包络恰好处于最佳包络状态。
[0058]
当接收电路输出电压包络线形状如图4中(c)部所示时，说明系统处于最佳包络状态。此时只需dc/dc模块维持当前输出电压。此时，交流输入最小值刚好过零，接收电路输出电压包络质量最好。
[0059]
结合图5可以看出，本发明提供的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的控制方法，可以归纳得到以下步骤：
[0060]
s1：检测接收电路输出包络电压状态；
[0061]
s2：判定是否处于欠包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块降压，并返回步骤s1；否则进入步骤s3；
[0062]
s3：判定是否处于过包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块升压，并返回步骤s1；否则进入步骤s4；
[0063]
s4：判定是否处于最佳包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块维持，否则返回步骤s1循环进行。
[0064]
为了进一步验证本发明的效果，下面通过在matlab上搭建了系统仿真模型，通过仿真验证本系统设计的准确性及控制方法的有效性，其输入交流电压峰值为25v，开关频率为200k。得到仿真结果如图6～图10所示，其中图6为经过处理过后的交流输入电压，图7为单管逆变无线电能传输系统发射线圈两端包络电压波形，图8为接收端输出包络电压波形，图9为经过高频包络解调网络解调还原出来的低频交流电电压波形，图10为单管逆变电路的开关管驱动v
gs
波形及开关管v
ds
波形。
[0065]
从图6可以看出，输入电压全部处理成了0v以上的脉动直流电，此时输入正弦交流电最小值恰好过零，验证了包络调制策略处理交流电的有效性。
[0066]
从图7可以看出，单管逆变对处理过的交流输入电进行了有效逆变，且无失真，将处理过的交流输入电压逆变成了高频包络电压。
[0067]
从图8可以看出，实现了将无线电能传输系统发射端的高频包络电能由发射端有效、高品质的传递至了无线电能传输系统接收端。
[0068]
从图9可以看出通过高频包络解调网络解调后的负载电压波形实现了对低频正弦交流电的高品质、低总谐波失真(thd)的有效还原。
[0069]
从图10可以看出，单管逆变电路可有效实现零电压开通，减小开关损耗，提升整个系统的效率。
[0070]
综上分析，本发明提供的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统与控制方法，首先去掉了全桥逆变，采用单管逆变电路作为无线电能发射端的逆变主拓扑，拓扑结构简单、开关管数量少、驱动方便，极大地降低了系统的整体体积与成本。此外，该拓扑易实现零电压开通，输出电压波形近似正弦波，解决了传统单管逆变拓扑输出电压波形近似半波的不足。其次，本发明改进了传统交流包络调制无线电能传输系统输入交流的处理方法，传统交流包络调制无线电能传输系统处理输入交流负半周通常采用ac-ac boost电路进行切换，此种方法虽然准确实现了对负半周的处理，但控制策略复杂、驱动电路复杂、可靠性不高，特别当输入交流电压发生波动时，ac-ac boost电路存在桥臂直通等问题。此外，本发明去掉了ac-ac boost变换器，采用变压器直流注入能量的方法处理交流电负半周，通过向双绕组变压器的一个交流输出绕组串入dc/dc变换器输出的直流电压，从而抬高输入交流电压，使其最小值恰好过零，此时系统输出包络交流电压也处于最佳包络状态。
[0071]
此方法控制策略简单，可靠性高，在输入交流电压波动时，本发明通过调节串入双绕组变压器交流输出绕组的dc/dc变换器输出电压，即可准确实现对交流负半周的处理，使系统输出包络交流电压处于最佳包络状态。
[0072]
最后需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括输入交流电源、双绕制交流变压器、整流滤波电路、dc/dc模块、单管逆变发射电路、第一控制模块和驱动电路模块，所述接收端包括接收电路、高频包络解调网络、用电负载、过零检测模块和第二控制模块；所述输入交流电源连接在所述双绕制交流变压器的初级绕组上，所述双绕制交流变压器的一个次级绕组经过所述整流滤波电路后与所述dc/dc模块连接，所述dc/dc模块的一个输出端串接所述双绕制交流变压器的另一个次级绕组后与所述单管逆变发射电路的一端连接，所述dc/dc模块的另一个输出端与所述单管逆变发射电路的另一端连接，所述单管逆变发射电路通过开关元件改变电路工作模态使得发射线圈输出高频磁场；所述接收电路通过磁场耦合获取无线能量，并通过所述高频包络解调网络后为所述用电负载供电，所述第二控制模块通过所述过零检测模块获取所述接收电路的输出包络电压状态从而得到控制信号，并发送至所述第一控制模块，所述第一控制模块获取所述控制信号，并通过所述驱动电路模块控制所述dc/dc模块和所述单管逆变发射电路中的开关元件。2.根据权利要求1所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，其特征在于，所述单管逆变发射电路包括串行连接的谐振电感、发射线圈和谐振电容，在所述发射线圈上并联设置补偿电容，在所述谐振电容上并联设置开关元件。3.根据权利要求1或2所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，其特征在于，所述dc/dc模块包括级联设置的buck降压拓扑单元和boost升压拓扑单元。4.根据权利要求3所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，其特征在于，所述单管逆变发射电路和所述dc/dc模块中的开关元件均为增强型nmos管。5.根据权利要求1所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统，其特征在于，所述第一控制模块上连接有第一蓝牙模块，所述第二控制模块上连接有第二蓝牙模块，所述第一控制模块和所述第二控制模块之间通过蓝牙通信传输所述控制信号。6.一种如权利要求1-5任一所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：检测接收电路输出包络电压状态；s2：判定是否处于欠包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块降压，并返回步骤s1；否则进入步骤s3；s3：判定是否处于过包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块升压，并返回步骤s1；否则进入步骤s4；s4：判定是否处于最佳包络状态，如果是，则控制所述dc/dc模块维持，否则返回步骤s1循环进行。7.根据权利要求6所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，通过所述过零检测模块检测所述接收电路输出包络电压状态，并由所述第二控制模块判定其包络状态并形成控制信号。8.根据权利要求6或7所述的一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，所述dc/dc模块包括级联设置的buck降压拓扑单元和boost升压拓扑单元，所述第一控制模块通过所述驱动电路模块控制所述buck降压拓扑单元或/和所述boost升压拓扑单元中的开关元件实现降压和升压控制。

技术总结
本发明涉及无线电能传输技术，具体为一种单管逆变交流包络调制无线电能传输系统与控制方法，系统包括发射端和接收端，其特征在于，所述发射端包括输入交流电源、双绕制交流变压器、整流滤波电路、DC/DC模块、单管逆变发射电路、第一控制模块和驱动电路模块，所述接收端包括接收电路、高频包络解调网络、用电负载、过零检测模块和第二控制模块；过零检测模块检测输出包络电压状态得到控制信号，第一控制模块根据包络状态控制DC/DC模块升降压状态。其效果是：相对于传统AC-AC包络调制无线电能传输系统，进一步简化了电路结构，开关器件少、驱动电路简单，进一步简化了控制策略，系统输入侧谐波含量少、功率因数高，降低了输入电压波形带来的影响。带来的影响。带来的影响。


技术研发人员：杨奕 张文鑫 王雩语 张路 谢诗云 万梓豪 李星龙
受保护的技术使用者：重庆理工大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/20