本發(fā)明一種能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的mcr-wpt電路及其控制方法，涉及無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線電能傳輸（wirelesspowertransfer,wpt）技術(shù)又稱為非接觸式無線電能傳輸技術(shù)，應(yīng)用最為廣泛的是基于磁耦合的無線電能傳輸技術(shù)?；诖篷詈系臒o線電能傳輸技術(shù)根據(jù)磁耦合的方式又分為：磁耦合感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)（magnetically-coupledinductivewirelesspowertransfer,mci-wpt）和磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)（magnetically-coupledresonantwirelesspowertransfer,mcr-wpt），其中mci-wpt技術(shù)較為成熟且傳輸效率高、功率大；但致命弱點是傳輸距離短，在厘米級別距離內(nèi)才具有較高的傳輸效率。mcr-wpt技術(shù)自2007年與麻省理工學(xué)院被發(fā)現(xiàn)以來，就因其傳輸距離較遠的優(yōu)勢而備受人們關(guān)注和研究工作者的青睞。無論是mci-wpt技術(shù)還是mcr-wpt技術(shù)都存在一個缺點，傳輸效率會隨著傳輸距離的改變而波動，這樣就造成了輸出功率不穩(wěn)定，因此現(xiàn)有的wpt技術(shù)在很多對功率穩(wěn)定性要求較高的場合并不適用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的mcr-wpt電路及其控制方法，使得輸出功率在傳輸距離變化的情況下能夠保持穩(wěn)定，解決了現(xiàn)有無線電能傳輸技術(shù)輸出電壓隨距離變化而快速變化的缺點。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的mcr-wpt電路，包括：電源側(cè)電路、發(fā)射端電路、諧振匹配接收端電路、負載側(cè)電路、電壓負反饋控制電路；

電源側(cè)電路連接發(fā)射端電路，發(fā)射端電路的諧振電感與諧振匹配接收端電路的諧振電感之間構(gòu)成諧振腔，諧振匹配接收端電路連接負載側(cè)電路，諧振匹配接收端電路、負載側(cè)電路連接電壓負反饋控制電路。

所述電源側(cè)電路包括交流電源ac、第一二極管全橋整流電路、濾波電容c1、高頻逆變電路、激勵線圈l1；交流電源ac連接第一二極管全橋整流電路，第一二極管全橋整流電路通過濾波電容c1連接高頻逆變電路，高頻逆變電路的橋臂連接激勵線圈l1兩端。

所述發(fā)射端電路包括諧振電感l(wèi)r1、諧振電容cr1，諧振電感l(wèi)r1一端連接諧振電容cr1一端，諧振電感l(wèi)r1另一端連接諧振電容cr1另一端。

所述諧振匹配接收端電路包括諧振電感l(wèi)r2、諧振電容cr2、兩個igbt及與之反向并聯(lián)的兩個二極管；igbt管vt5的發(fā)射極連接二極管vd5陽極，二極管vd5陰極連接igbt管vt5的集電極，igbt管vt5的集電極連接igbt管vt6的集電極，igbt管vt5的發(fā)射極連接諧振電容cr2一端，諧振電容cr2另一端連接igbt管vt6的發(fā)射極，諧振電感l(wèi)r2并聯(lián)在諧振電容cr2兩端。

所述諧振腔是發(fā)射端電路的諧振電感l(wèi)r1、諧振匹配接收端電路的諧振電感l(wèi)r2之間的空間區(qū)域。

所述負載側(cè)電路包括負載線圈l2、第二二極管全橋整流電路、濾波電容c2、負載r；負載線圈l2的兩端連接第二二極管全橋整流電路橋臂，第二二極管全橋整流電路通過濾波電容c2連接負載r。

所述電壓負反饋控制電路包括兩個減法器、兩個pid控制器和pwm信號發(fā)生器；pwm信號發(fā)生器一端連接igbt管vt5的柵極、igbt管vt6的柵極；pwm信號發(fā)生器另一端連接第一pid控制器一端，第一pid控制器另一端連接第一減法器一端，第一減法器另一端連接第二pid控制器一端，第二pid控制器另一端連接第二減法器一端。

所述激勵線圈l1與發(fā)射端電路中的諧振電感l(wèi)r1非直接接觸，諧振匹配接收端電路的諧振電感l(wèi)r2與負載線圈l2也非直接接觸，通過電磁直接感應(yīng)耦合的方式實現(xiàn)電能傳遞。

所述發(fā)射端電路中的諧振電感l(wèi)r1和諧振匹配接收端電路的諧振電感l(wèi)r2距離間隔較遠。

本發(fā)明一種能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的mcr-wpt電路及其控制方法，優(yōu)點在于：

（1）：當傳輸距離在一定范圍內(nèi)變化時，本發(fā)明始終能維持輸出電壓的穩(wěn)定，解決了現(xiàn)有無線電能傳輸技術(shù)輸出電壓隨距離變化而快速變化的這一缺點。

（2）：本發(fā)明大大提高了無線電能傳輸技術(shù)的實際應(yīng)用價值，許多對電壓精度要求較高的用電設(shè)備，采用現(xiàn)有的無線充電技術(shù)顯然不能滿足需求，但本發(fā)明可以對其進行穩(wěn)定、安全地?zé)o線充電；

（3）：本發(fā)明在使用過程中非常便捷?，F(xiàn)有的無線電能傳輸裝置在使用過程中需要嚴格控制發(fā)射端線圈和接收端線圈的距離，故通常都是將接收線圈固定在一個點；而本發(fā)明在使用上非常靈活便捷，可在一定范圍內(nèi)隨意改變兩線圈的相對位置。

（4）：本發(fā)明通過改變接收端諧振電容值、以改變接收端和發(fā)射端諧振匹配程度，從而實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的主電路及其控制電路圖。

圖2為本發(fā)明的控制算法流程圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種能實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的mcr-wpt電路，包括：電源側(cè)電路、發(fā)射端電路、諧振匹配接收端電路、負載側(cè)電路、電壓負反饋控制電路。

電源側(cè)電路連接發(fā)射端電路，發(fā)射端電路的諧振電感與諧振匹配接收端電路的諧振電感之間構(gòu)成諧振腔，諧振匹配接收端電路連接負載側(cè)電路，諧振匹配接收端電路、負載側(cè)電路連接電壓負反饋控制電路。

所述電源側(cè)電路包括交流電源ac、第一二極管全橋整流電路、濾波電容c1、高頻逆變電路、激勵線圈l1；交流電源ac連接第一二極管全橋整流電路，第一二極管全橋整流電路通過濾波電容c1連接高頻逆變電路，高頻逆變電路的橋臂連接激勵線圈l1兩端。

所述發(fā)射端電路包括諧振電感l(wèi)r1、諧振電容cr1，諧振電感l(wèi)r1一端連接諧振電容cr1一端，諧振電感l(wèi)r1另一端連接諧振電容cr1另一端。

所述諧振匹配接收端電路包括諧振電感l(wèi)r2、諧振電容cr2、兩個igbt及與之反向并聯(lián)的兩個二極管；igbt管vt5的發(fā)射極連接二極管vd5陽極，二極管vd5陰極連接igbt管vt5的集電極，igbt管vt5的集電極連接igbt管vt6的集電極，igbt管vt5的發(fā)射極連接諧振電容cr2一端，諧振電容cr2另一端連接igbt管vt6的發(fā)射極，諧振電感l(wèi)r2并聯(lián)在諧振電容cr2兩端。

所述諧振腔是發(fā)射端電路的諧振電感l(wèi)r1、諧振匹配接收端電路的諧振電感l(wèi)r2之間的空間區(qū)域。

所述負載側(cè)電路包括負載線圈l2、第二二極管全橋整流電路、濾波電容c2、負載r；負載線圈l2的兩端連接第二二極管全橋整流電路橋臂，第二二極管全橋整流電路通過濾波電容c2連接負載r。

所述電壓負反饋控制電路包括兩個減法器、兩個pid控制器和pwm信號發(fā)生器；pwm信號發(fā)生器一端連接igbt管vt5的柵極、igbt管vt6的柵極；pwm信號發(fā)生器另一端連接第一pid控制器一端，第一pid控制器另一端連接第一減法器一端，第一減法器另一端連接第二pid控制器一端，第二pid控制器另一端連接第二減法器一端。該電路的輸出電壓隨傳輸距離變化時能夠保持穩(wěn)定的控制方法如圖2所示。

工作原理：

電能傳輸?shù)脑恚?/p>

1、交流電源ac經(jīng)過第一二極管全橋整流電路整流、和濾波電容c1濾波后，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓，直流電壓經(jīng)過高頻逆變電路后變?yōu)楦哳l交流電壓，并通過直接電磁直接感應(yīng)耦合的方式，將電能從激勵線圈傳遞到發(fā)射端，發(fā)射端與接收端通過電磁諧振耦合的方式，實現(xiàn)電能較遠距離的傳輸；接收端和負載側(cè)通過電磁直接感應(yīng)耦合的方式，實現(xiàn)了電能從接收端到負載線圈的傳遞，在經(jīng)過第二二極管全橋整流電路整流和濾波電容c2濾波后，變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓為負載供電。最后，在諧振腔距離改變時，電壓負反饋控制電路可通過控制諧振匹配接收端電路中的諧振電容cr2值的大小，來穩(wěn)定輸出功率。

2、第一二極管全橋整流電路由四個二極管vd1、vd2、vd3和vd4組成，其輸入端接交流電源，輸出端經(jīng)過電容c1濾波穩(wěn)壓后，接逆變電路的輸出端。

3、逆變電路由四個igbt開關(guān)管vt1、vt2、vt3和vt4組成，其輸出端接激勵線圈l1；

4、所述激勵線圈l1與發(fā)射端電路中的諧振電感l(wèi)r1非直接接觸，通過電磁直接感應(yīng)耦合的方式實現(xiàn)電能傳遞。激勵線圈在高頻交流電壓下將產(chǎn)生高頻交變磁場，同處于該交變磁場中的發(fā)射端諧振電感l(wèi)r將通過直接耦合的方式產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，實現(xiàn)了電能從電源側(cè)電路到發(fā)射端電路的傳遞。

5、所述發(fā)射端電路中的諧振電感l(wèi)r1和諧振匹配接收端電路的諧振電感l(wèi)r2距離間隔較遠,為線圈直徑的幾倍，一般可達1米左右。這也是mcr-wpt技術(shù)的突出優(yōu)點，二者之間的空間為諧振腔。lr、cr和高頻電壓的頻率f三者之間滿足諧振條件

當諧振匹配接收電路中的兩個開關(guān)管vd5和vd6都斷開時，結(jié)構(gòu)和參數(shù)都完全一樣發(fā)射端電路和諧振匹配接收端電路將具有同一諧振頻率而發(fā)生電磁諧振耦合，此時電能將實現(xiàn)從發(fā)射端到接收端的中距離高效傳遞；

6、諧振匹配接收端電路中的諧振電感l(wèi)r2與負載線圈l2也非直接接觸，也通過電磁直接感應(yīng)耦合的方式實現(xiàn)電能傳遞。其原理同步驟（4）。

7、第二二極管全橋整流電路由四個二極管vd7、vd8、vd9和vd10組成，其輸入端接負載線圈，輸出端經(jīng)過濾波電容c2濾波穩(wěn)壓后接負載。

8、電壓負反饋控制電路的原理：輸出電壓采樣值u0與輸出電壓期望值u0^*求差值，經(jīng)過pid調(diào)解以后輸出電流調(diào)節(jié)的參考值is^*，is^*與負載線圈電流采樣值is求差值后經(jīng)過pid調(diào)節(jié)后輸入pwm信號發(fā)生器，pwm信號發(fā)生器輸出頻率與系統(tǒng)諧振頻率f相同的pwm信號，控制igbt開關(guān)管vt5和vt6的通斷狀態(tài)。

實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出的原理：

即使發(fā)射端電路和接收端電路完全相同且處于同一諧振頻率時，mcr-wpt的傳輸效率仍然會隨著兩個諧振電感線圈lr1、lr2之間的距離，在一定范圍內(nèi)的變化而緩慢變化，基本規(guī)律是在最佳諧振距離點左右，傳輸效率都將下降，這樣就會導(dǎo)致輸出電壓的波動。為了在傳輸距離變動的情況下，實現(xiàn)穩(wěn)定電壓輸出，本發(fā)明采取了“諧振匹配”的方法，基本原理是使發(fā)射端和接收端處于完全諧振狀態(tài)下時，系統(tǒng)輸出電壓大于額定輸出電壓，然后根據(jù)輸出電壓值調(diào)節(jié)開關(guān)管vt5和vt6的占空比以改變接收端的諧振電容cr值，從而改變接收端與發(fā)射端的諧振匹配程度，到達改變輸出電壓的目的。具體步驟如下：

步驟1：設(shè)定額定輸出電壓為u0；

步驟2：確定穩(wěn)壓輸出的有效距離范圍dmin<d<dmax，首先斷開開關(guān)管vt5和vt6，使接收端的諧振電容cr2的值最大，即保持接收端電路處于最佳諧振狀態(tài)，逐漸增加兩個諧振電感線圈lr1、lr2之間的距離，使輸出電壓u逐漸減小，直至輸出功率不能滿足負載需求時為止，記錄下此時的傳輸距離即為dmax；再逐漸減小兩個諧振電感線圈lr1、lr2之間的距離，直至輸出功率不能滿足負載需求時為止，記錄下此時的傳輸距離即為dmin；

步驟3：當兩個諧振電感線圈lr1、lr2之間的距離為任意值d時，判定d是否屬于dmin至dmax范圍內(nèi)；

步驟4：若dmin<d<dmax，則在開關(guān)管vt5和vt6均處于關(guān)斷狀態(tài)時，輸出電壓u>u0。為了保持電壓穩(wěn)定，應(yīng)逐步增大開關(guān)管vt5和vt6的占空比，使接收端的諧振電容cr2減小，從而減小接收端與發(fā)射端的諧振匹配程度，使得輸出電壓下降至u0；

步驟5：若d<dmin或者d>dmax，說明在此距離下，即使開關(guān)管vt5和vt6均處于關(guān)斷狀態(tài)，即接收端和發(fā)射端處于最佳諧振匹配狀態(tài)時，也無法滿足額定輸出電壓u0，即始終有u<u0，此時應(yīng)該斷開開關(guān)管vt5和vt6，即保持接收端電路處于最佳諧振狀態(tài)，以使輸出電壓u最大化。