本發(fā)明涉及電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，更確切地說(shuō)涉及一種單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無(wú)線電能傳輸是一種通過(guò)空間電磁場(chǎng)耦合進(jìn)行電能傳輸?shù)募夹g(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是不需要插拔，使用簡(jiǎn)單方便；不會(huì)產(chǎn)生電火花，可以在易燃易爆的工業(yè)環(huán)境中使用；可以在水中進(jìn)行能量傳輸，也可以應(yīng)用到海洋裝備等水下應(yīng)用中。無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的發(fā)射端和無(wú)線電能接收端通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)傳遞能量，兩者之間不需要導(dǎo)線連接。

感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的基本工作原理為：工頻交流電源經(jīng)過(guò)整流濾波環(huán)節(jié)和高頻逆變環(huán)節(jié)變成高頻交流，高頻交流通過(guò)原邊一次側(cè)線圈，向外界發(fā)射電磁能量，能量接收裝置中的副邊線圈在電磁感應(yīng)耦合原理作用下將電源側(cè)轉(zhuǎn)換的磁場(chǎng)能量重新轉(zhuǎn)換為電能，該電能通過(guò)系統(tǒng)電路裝置再轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)負(fù)載能夠直接使用的電能形式。

高頻逆變環(huán)節(jié)是感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的核心，根據(jù)主電路電源的輸入類型可分為電壓型和電流型逆變。目前研究最多的還是電壓型逆變電路，但是電壓型逆變電路整流側(cè)需接電解電容濾波，在降低網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的同時(shí)也降低了傳輸系統(tǒng)的整體壽命。另外當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電壓型串聯(lián)諧振逆變器前端的大電容只能保證電壓不能突變，電流則會(huì)迅速增大，不容易實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，該無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能獲得電網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)，提高無(wú)線電能傳輸裝置的壽命，還更容易實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括整流電路、平波電感、單相電流型多電平逆變電路、第一補(bǔ)償電容、耦合線圈、第二補(bǔ)償電容、高頻整流電路及功率發(fā)送端控制單元；所述的平波電感連接在整流電路和單相電流型多電平逆變電路之間；所述的單相電流型多電平逆變電路與第一補(bǔ)償電容連接，所述的第一補(bǔ)償電容與耦合線圈的原邊側(cè)線圈連接；所述的耦合線圈的副邊側(cè)線圈與第二補(bǔ)償電容連接；所述的第二補(bǔ)償電容與高頻整流電路連接；所述的功率發(fā)送端控制單元用于驅(qū)動(dòng)所述的單相電流型多電平逆變電路工作；所述的高頻整流電路用于與功率接收端電源電路連接。

采用以上結(jié)構(gòu)后，本發(fā)明的單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明的單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)整流側(cè)采用二極管整流電路加電感濾波方式，在整流側(cè)避免使用電解電容，大大提高了無(wú)線電能傳輸裝置的壽命；整流側(cè)采用電感濾波，無(wú)需增加額外的pfc電路，即可獲得電網(wǎng)側(cè)的高功率因數(shù)。高頻逆變環(huán)節(jié)采用單相電流型多電平逆變電路，可在常規(guī)功率器件通流基礎(chǔ)上獲得更多級(jí)的輸出電流，在減輕開關(guān)器件電流應(yīng)力同時(shí)，使逆變電流波形更加接近正弦。功率發(fā)送端控制單元調(diào)制的多電平電流波形具有較低的波形畸變度，有助于減小電磁場(chǎng)激勵(lì)線圈損耗及對(duì)環(huán)境的電磁干擾。

作為改進(jìn)，所述的單相電流型多電平逆變電路為單相電流型五電平逆變電路。采用此種結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)較合理。

作為改進(jìn)，所述的單相電流型五電平逆變電路包括分流電感和八個(gè)開關(guān)電路；第一開關(guān)電路的一端、第四開關(guān)電路的一端及分流電感的一端與所述的平波電感的一端連接；所述的分流電感的另一端與第二開關(guān)電路的一端和第三開關(guān)電路的一端連接；所述的第一開關(guān)電路的另一端和第二開關(guān)開路的另一端均與所述的補(bǔ)償電容的一端連接；所述的第三開關(guān)電路的另一端和第四開關(guān)電路的另一端均與所述的補(bǔ)償電容的另一端連接；所述的第五開關(guān)電路的一端與第一開關(guān)電路的另一端連接，所述的第六開關(guān)電路的一端與第二開關(guān)電路的另一端連接，所述的第七開關(guān)電路的一端與第三開關(guān)電路的另一端連接，所述的第八開關(guān)電路的一端與第四開關(guān)電路的另一端連接；所述的第五開關(guān)電路的另一端、第六開關(guān)電路的另一端、第七開關(guān)電路的另一端和第八開關(guān)電路的另一端均與所述的整流電路連接。采用此種結(jié)構(gòu)后，單相電流型多電平逆變電路采用單相電流型五電平逆變電路，采用五電平pwm調(diào)制技術(shù)，使得輸入電流為五電平pwm波形，諧波含量低，波形更接近正弦。

作為改進(jìn)，所述的開關(guān)電路包括二極管及三極管，所述的二極管的陰極與所述的三極管的集電極連接；所述的二極管的陽(yáng)極為所述的開關(guān)電路的一端，所述的三極管的發(fā)射極為所述的開關(guān)電路的另一端。采用此種結(jié)構(gòu)后，電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。

作為改進(jìn)，所述的功率發(fā)送端控制單元包括方波整形電路、數(shù)字信號(hào)處理器及驅(qū)動(dòng)電路；所述的方波整形電路采集所述的耦合線圈原邊線圈側(cè)的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)方波整形電路整形后輸入數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器相位比較、放大以及鎖相電路與諧振電壓相位經(jīng)比較后，產(chǎn)生控制電壓脈沖信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路將電壓脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大電路后形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸給單相電流型五電平逆變電路。采用此種結(jié)構(gòu)后，采用pwm調(diào)制的五電平電流波形具有較低的波形畸變度，有助于減小電磁場(chǎng)激勵(lì)線圈損耗及對(duì)環(huán)境的電磁干擾。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電路原理圖。

圖2為電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流波形。

圖3為單相電流型五電平逆變電路的輸出電流波形

圖4為耦合線圈原邊側(cè)線圈獲得正弦電流ip的波形。

圖5為副邊側(cè)線圈接收到了正弦電流is的波形。

圖中所示：1、整流電路，2、平波電感，3、單相電流型五電平逆變電路，4、第一補(bǔ)償電容，5、耦合線圈，6、第二補(bǔ)償電容，7、高頻整流電路，8、功率發(fā)送端控制單元，9、功率接收端控制單元。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明的單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，包括整流電路1、平波電感2、單相電流型多電平逆變電路3、第一補(bǔ)償電容4、耦合線圈5、第二補(bǔ)償電容6、高頻整流電路7及功率發(fā)送端控制單元8；所述的平波電感2連接在整流電路1和單相電流型多電平逆變電路3之間；所述的單相電流型多電平逆變電路3與第一補(bǔ)償電容4連接，所述的第一補(bǔ)償電容4與耦合線圈5的原邊側(cè)線圈連接；所述的耦合線圈5的副邊側(cè)線圈與第二補(bǔ)償電容6連接；所述的第二補(bǔ)償電容6與高頻整流電路7連接；所述的功率發(fā)送端控制單元8用于驅(qū)動(dòng)所述的單相電流型多電平逆變電路3工作；所述的高頻整流電路7用于與功率接收端電源電路連接。

所述的整流電路1為二極管橋式整流電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，后級(jí)無(wú)需并接電解電容濾波。所述的平波電感2串接在二極管整流電路之后，用于平滑電流波形，獲得近似恒流電流。同時(shí)，在電網(wǎng)側(cè)可直接獲得較高的功率因數(shù)。所述的第一補(bǔ)償電容4并聯(lián)在耦合線圈5的原邊側(cè)線圈的兩端之間，用于構(gòu)造原邊側(cè)線圈并聯(lián)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。所述的耦合線圈5包括原邊側(cè)線圈和副邊側(cè)線圈，所述的原邊側(cè)線圈用于發(fā)射功率，所述的副邊側(cè)線圈永不接收功率。所述的第二補(bǔ)償電容6并聯(lián)在耦合線圈的副邊側(cè)線圈的兩端之間，用于構(gòu)造副邊側(cè)線圈并聯(lián)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。所述的高頻整流電路7在功率接收端，將副邊線圈接收的高頻交流電重新轉(zhuǎn)換成直流電，給后級(jí)的直流負(fù)載供電，如用于電池充電。

所述的高頻整流電路7與電源電路連接，功率接收端控制單元9與所述的電源電路連接。所述的功率接收端控制單元9采集電池側(cè)的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)mcu算法處理后，產(chǎn)生合適的pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)去控制電源電路中的dc/dc電路的開關(guān)管的導(dǎo)通與斷開，從而對(duì)電池進(jìn)行充電。

所述的單相電流型多電平逆變電路3為單相電流型五電平逆變電路。所述的單相電流型五電平逆變電路包括分流電感和八個(gè)開關(guān)電路；第一開關(guān)電路的一端、第四開關(guān)電路的一端及分流電感的一端與所述的平波電感的一端連接；所述的分流電感的另一端與第二開關(guān)電路的一端和第三開關(guān)電路的一端連接；所述的第一開關(guān)電路的另一端和第二開關(guān)開路的另一端均與所述的補(bǔ)償電容的一端連接；所述的第三開關(guān)電路的另一端和第四開關(guān)電路的另一端均與所述的補(bǔ)償電容的另一端連接；所述的第五開關(guān)電路的一端與第一開關(guān)電路的另一端連接，所述的第六開關(guān)電路的一端與第二開關(guān)電路的另一端連接，所述的第七開關(guān)電路的一端與第三開關(guān)電路的另一端連接，所述的第八開關(guān)電路的一端與第四開關(guān)電路的另一端連接；所述的第五開關(guān)電路的另一端、第六開關(guān)電路的另一端、第七開關(guān)電路的另一端和第八開關(guān)電路的另一端均與所述的整流電路連接。所述的開關(guān)電路包括二極管及三極管，所述的二極管的陰極與所述的三極管的集電極連接；所述的二極管的陽(yáng)極為所述的開關(guān)電路的一端，所述的三極管的發(fā)射極為所述的開關(guān)電路的另一端。

所述的功率發(fā)送端控制單元8包括方波整形電路、數(shù)字信號(hào)處理器及驅(qū)動(dòng)電路；所述的方波整形電路采集所述的耦合線圈原邊線圈側(cè)的電壓和電流信號(hào)，經(jīng)方波整形電路整形后輸入數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器相位比較、放大以及鎖相電路與諧振電壓相位經(jīng)比較后，產(chǎn)生控制電壓脈沖信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路將電壓脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大電路后形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸給單相電流型五電平逆變電路，進(jìn)而控制單相電流型五電平逆變電路的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。

本發(fā)明單相電流型多電平磁耦合無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理如下：

單相交流電經(jīng)二極管整流+電感濾波后，產(chǎn)生一個(gè)直流電流源，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的電流波形近似為方波，電流畸變小并且?guī)缀跖c電網(wǎng)電壓同相位，即無(wú)需額外增加pfc電路即可獲得較高的功率因數(shù)，波形如圖2所示。直流電流源給單相電流型五電平逆變電路供電，經(jīng)五電平pwm調(diào)制后，輸出高頻的五電平pwm電流波形，波形如圖3所示，此時(shí)的電流波形更接近正弦，諧波含量低。該五電平pwm電流波形經(jīng)并聯(lián)諧振補(bǔ)償后，在耦合線圈原邊側(cè)線圈獲得正弦電流ip，如圖4所示。經(jīng)過(guò)磁耦合后，在副邊側(cè)線圈接收到了正弦電流is，波形如圖5所示。因此，基于單相電流型五電平逆變電路實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳輸。