一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)包括送電端、受電端和控制單元，控制單元包括一個電流控制器和開關(guān)信號發(fā)生器，電流控制器的反饋輸入端接收經(jīng)濾波后的高頻逆變器的直流側(cè)電流檢測信號，電流控制器的給定輸入端接收所述交流供電電源的電壓檢測信號經(jīng)絕對值變換和乘以系數(shù)G后的信號，所述電流控制器的輸出連接所述開關(guān)信號發(fā)生器的輸入端，所述開關(guān)信號發(fā)生器的輸出連接高頻逆變器/高頻整流器功率開關(guān)控制端。本發(fā)明無需PFC電路即可實(shí)現(xiàn)交流供電電源的單位功率因數(shù)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積和成本。
【專利說明】
-種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 非接觸式（或無線）功率傳輸技術(shù)使得送電端與受電端之間不通過導(dǎo)線及插頭 (插座）連接，具有用電安全、可靠、方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適合于移動設(shè)備充電、電動汽 車充電（供電）W及易燃（爆）及腐蝕性環(huán)境場合的設(shè)備供電。
[0003] 非接觸式功率傳輸系統(tǒng)由送電端系統(tǒng)和受電端系統(tǒng)組成，其中送電端一般由工頻 整流器、大容量濾波電容器、高頻逆變器、送電線圈及補(bǔ)償單元、W及相應(yīng)控制單元等組成； 受電端一般由高頻整流器、濾波電容器、受電線圈及補(bǔ)償單元、W及相應(yīng)控制單元等等組 成，如圖1所示。上述技術(shù)方案送電端工頻整流器后采用大容量電容器濾波，使得功率因數(shù) 較低。為了提高送電端功率因數(shù)，現(xiàn)有技術(shù)一般在送電端高頻逆變器之前增加一級功率因 數(shù)校正（Power Factor Correction, PFC)電路，如圖Ia所示。但運(yùn)會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和 成本，降低可靠性和功率傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)及控制方法，本系 統(tǒng)無需PFC校正電路，具有電路簡單和單位功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。 陽〇化]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，包括送電端、受電端和控制單元，其中，送電端與受 電端進(jìn)行電能傳輸，控制單元控制送電端與受電端；
[0007] 所述送電端包括依次相連的交流供電電源、低通濾波器、工頻整流器、高頻逆變 器、補(bǔ)償單元I和送電線圈，所述工頻整流器直流側(cè)直接與高頻逆變器直流側(cè)相連，二者之 間無功率因數(shù)校正電路；
[0008] 所述受電端包括依次相連的受電線圈、補(bǔ)償單元II、高頻整流器和負(fù)載；
[0009] 所述控制單元包括一個電流控制器和開關(guān)信號發(fā)生器，電流控制器的反饋輸入端 接收經(jīng)濾波后的高頻逆變器的直流側(cè)電流檢測信號，電流控制器的給定輸入端接收所述交 流供電電源的電壓檢測信號經(jīng)絕對值變換和乘W系數(shù)G后的信號，所述電流控制器的輸出 連接所述開關(guān)信號發(fā)生器的輸入端，所述開關(guān)信號發(fā)生器的輸出連接高頻逆變器和高頻整 流器功率開關(guān)控制端。
[0010] 所述工頻整流器和高頻整流器為無源整流器，為四個二極管組成的單相全橋整流 器電路，用于單向非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，即功率由所述送電端向所述受電端的負(fù)載傳輸。
[0011] 所述工頻整流器和高頻整流器為有源H橋整流器，為四個帶反并聯(lián)二極管的功率 開關(guān)管組成的H橋變換電路，用于雙向非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，即功率可在所述送電端與 所述受電端之間雙向傳輸。
[0012] 所述工頻整流器設(shè)有同步整流控制單元，同步整流控制單元包括比較器和反相 器，通過比較器實(shí)現(xiàn)對輸入交流電壓的比較，反相器實(shí)現(xiàn)邏輯反相；當(dāng)輸入交流電壓大于O 時，所述比較器輸出邏輯"1"，所述反相器輸出為邏輯"O "。
[0013] 所述高頻逆變器為有源H橋逆變器，為四個帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管組成的 H橋變換電路。
[0014] 所述高頻逆變器為有源半橋逆變器，為兩個帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管組成的 半橋變換電路。
[0015] 一種基于上述系統(tǒng)的控制方法，包括W下步驟：
[0016] (1)檢測送電端高頻逆變器的直流側(cè)電流，經(jīng)濾波處理后得到電流反饋信號送到 控制單元電流控制器的反饋輸入端；
[0017] (2)檢測送電端交流供電電源電壓，經(jīng)絕對值變換和乘W系數(shù)G后得到給定指令 電流信號送到控制單元電流控制器的給定輸入端；
[0018] (3)電流控制器對給定輸入信號和電流反饋信號進(jìn)行處理輸出控制信號至開關(guān)信 號發(fā)生器的輸入端，然后由開關(guān)信號發(fā)生器控制高頻逆變器和高頻整流器的功率開關(guān)管， 使電流反饋信號跟蹤給定輸入信號。
[0019] 所述步驟似中，系數(shù)G可由所述受電端負(fù)載電壓/電流/功率的閉環(huán)控制得到。
[0020] 所述步驟（3)中，當(dāng)功率由所述送電端向受電端傳輸時，開關(guān)信號發(fā)生器控制高 頻逆變器的功率開關(guān)管。
[OOW 所述步驟（3)中，當(dāng)功率由所述受電端向送電端傳輸時，開關(guān)信號發(fā)生器控制高 頻整流器的功率開關(guān)管。
[0022] 本發(fā)明的有益效果為：
[002引 （1)提供了一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)及控制方法，無需PFC電路即可實(shí)現(xiàn)交流 供電電源的單位功率因數(shù)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積和成本；
[0024] (2)省略了 PFC電路，使系統(tǒng)減少了一級高頻變換環(huán)節(jié)，降低了開關(guān)損耗，提高了 系統(tǒng)變換效率和可靠性；
[0025] (3)可用于各種由交流電源供電的非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，如電動汽車非接觸式 充/放電等。
【附圖說明】
[0026] 圖1為現(xiàn)有的不帶PFC電路的非接觸式功率傳輸系統(tǒng)；
[0027] 圖Ia為現(xiàn)有的帶PFC電路的非接觸式功率傳輸系統(tǒng)；
[0028] 圖2為本發(fā)明的非接觸式功率傳輸系統(tǒng)；
[0029] 圖3為一種工頻無源整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0030] 圖3a為一種工頻H橋有源整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0031] 圖4為圖3a的工頻H橋有源整流器的同步整流控制單元；
[0032] 圖5為一種高頻無源整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0033] 圖5a為一種高頻H橋有源整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0034] 圖6為一種高頻H橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0035] 圖6a為一種高頻半橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
[0036] 其中，1、低通濾波器，2、工頻整流器，3、高頻逆變器，4、高頻整流器，5、補(bǔ)償單元I， 6、補(bǔ)償單元11，7、送電線圈，8、受電線圈，9、負(fù)載，10、交流供電電源，11、送電端，12、受電 端，13、控制單元，14、電流控制器，15、開關(guān)信號發(fā)生器，16、濾波電路，17、絕對值變換器， 18、乘法器，19、比較器，20、反相器，21、同步整流控制單元。
【具體實(shí)施方式】：
[0037] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0038] 如圖2所示，本發(fā)明的非接觸式功率傳輸系統(tǒng)圖，它包括送電端11、受電端12和 控制單元13,其中送電端11包括交流供電電源10、低通濾波器1、工頻整流器2、高頻逆變 器3、送電線圈7及補(bǔ)償單元I 5;受電端包括高頻整流器4、受電線圈8及補(bǔ)償單元II 6、 負(fù)載9等。其特征是，所述工頻整流器2直流側(cè)直接與高頻逆變器直流側(cè)相連，二者之間無 功率因數(shù)校正電路。所述控制單元13至少包括一個電流控制器14和開關(guān)信號發(fā)生器15， 所述高頻逆變器3的直流側(cè)電流檢測信號id經(jīng)濾波電路16濾波后得到《連接所述電流控 制器14的反饋輸入端，所述交流供電電源10電壓檢測信號Ug經(jīng)絕對值變換器17變換后得 k I，乘W系數(shù)G后得到給定指令電流信號皆^連接所述電流控制器14的給定輸入端，所述 電流控制器14的輸出F連接所述開關(guān)信號發(fā)生器15的輸入端，開關(guān)信號發(fā)生器15的輸出 K連接所述高頻逆變器3/高頻整流器4的功率開關(guān)控制端。
[0039] 圖3給出了一種工頻整流器2的工頻無源整流器電路結(jié)構(gòu)圖，包括四個二極管 Zl~Z4,組成公知的單相全橋整流器電路。
[0040] 圖3a給出了一種工頻整流器2的工頻有源H橋整流器電路結(jié)構(gòu)圖，包括四個帶反 并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管Ql~Q4,組成公知的H橋變換電路。
[0041] 圖4給出了的工頻有源H橋整流器2的同步整流控制單元21，通過比較器19實(shí)現(xiàn) 對輸入交流電壓的比較，反相器20實(shí)現(xiàn)邏輯反相。當(dāng)輸入交流電壓Ug大于0時，所述比較 器19輸出邏輯"1"，所述反相器20輸出為邏輯"0"，控制圖3a所示的有源H橋整流器的開 關(guān)管Ql和Q4導(dǎo)通，Q2和Q3截止，反之，當(dāng)輸入交流電壓u/h于0時，所述比較器19輸出 邏輯"0"，所述反相器20輸出為邏輯"1"，控制圖3a所示的有源H橋整流器的開關(guān)管Q2和 Q3導(dǎo)通，Ql和Q4截止。
[0042] 圖5給出了一種高頻整流器4的高頻無源整流器電路結(jié)構(gòu)圖，包括四個二極管 巧~Z8,組成公知的單相全橋整流器電路。
[0043] 圖5a給出了一種高頻整流器4的高頻有源H橋整流器電路結(jié)構(gòu)圖，包括四個帶反 并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管Q5~Q8,組成公知的H橋變換電路。
[0044] 圖6給出了一種高頻逆變器3的H橋逆變器電路結(jié)構(gòu)圖，包括四個帶反并聯(lián)二極 管的功率開關(guān)管Sl~S4,組成公知的H橋變換電路。
[0045] 圖6a給出了一種高頻逆變器3的半橋逆變器電路結(jié)構(gòu)圖，包括兩個帶反并聯(lián)二極 管的功率開關(guān)管Sl~S2,組成公知的半橋變換電路。 陽046] 實(shí)施例1 :
[0047] 圖2中的工頻整流器2由圖3實(shí)現(xiàn)，高頻逆變器3由圖6所示的H橋逆變器實(shí)現(xiàn)， 高頻整流器4由圖5實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成一種單向非接觸式功率傳輸系統(tǒng)主電路拓?fù)?，功率只能進(jìn) 行正向傳輸，即功率由送電端11的交流供電電源10向受電端12的負(fù)載9傳輸（或者圖2 中功率由左側(cè)向右側(cè)傳輸），所述開關(guān)信號發(fā)生器15的輸出K連接圖6所述高頻逆變器3 的功率開關(guān)管Sl~S4的控制端。 引實(shí)施例2 :
[0049] 將實(shí)施例1中的高頻逆變器3改由圖6a所示的半橋逆變器實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成另一種單 向非接觸式功率傳輸系統(tǒng)主電路拓?fù)?，所述開關(guān)信號發(fā)生器15的輸出K連接圖6a所述高 頻逆變器3的功率開關(guān)管Sl~S2的控制端。
[0050] 實(shí)施例3 :
[0051] 圖2中的工頻整流器2由圖3a實(shí)現(xiàn)，高頻逆變器3由圖6所示的H橋逆變器實(shí)現(xiàn)， 高頻整流器4由圖5a實(shí)現(xiàn)，就構(gòu)成一種雙向非接觸式功率傳輸系統(tǒng)主電路拓?fù)?，功率可進(jìn) 行正向和反向傳輸。當(dāng)進(jìn)行正向功率傳輸時，功率由送電端11的交流供電電源10向受電 端12的負(fù)載9傳輸（或者圖2中功率由左側(cè)向右側(cè)傳輸），此時，所述開關(guān)信號發(fā)生器15 的輸出K連接圖6所述高頻逆變器3的功率開關(guān)管Sl~S4的控制端，工頻整流器2和高 頻整流器4都工作在整流狀態(tài)（即功率開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)），高頻逆變器3處于高頻逆變 狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行反向功率傳輸時，功率由受電端12的負(fù)載9向送電端11的交流供電電源10 傳輸（或者圖2中功率由右側(cè)向左側(cè)傳輸），此時，所述開關(guān)信號發(fā)生器15的輸出K連接圖 5所述高頻整流器4的功率開關(guān)管Q5~Q8的控制端，高頻整流器4工作在高頻逆變狀態(tài)， 工頻整流器2處于同步整流狀態(tài)，其功率開關(guān)管Ql~Q4由圖4的同步整流控制單元21控 審IJ，高頻逆變器3處于高頻整流狀態(tài)（即功率開關(guān)管Sl~S4處于截止?fàn)顟B(tài)）。
[0052] 上述實(shí)施例中，所述電流控制器14的作用最終是控制所述交流供電電源10的輸 出電流is為與電源電壓U調(diào)頻、同/反相、同形狀的交流電流或?yàn)榕c電源電壓U調(diào)頻、同/ 反相的正弦電流，使所述非接觸式功率傳輸系統(tǒng)保持單位功率因數(shù)。
[0053] 上述實(shí)施例中，控制單元13的系數(shù)G可由電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可由所述受電端11 負(fù)載9的電壓/電流/功率的閉環(huán)控制得到。
[0054] 上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍W內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，包括送電端、受電端和控制單元，其中，送電端與受電 端進(jìn)行電能傳輸，控制單元控制送電端與受電端； 所述送電端包括依次相連的交流供電電源、低通濾波器、工頻整流器、高頻逆變器、補(bǔ) 償單元I和送電線圈，所述工頻整流器直流側(cè)直接與高頻逆變器直流側(cè)相連，二者之間無 功率因數(shù)校正電路； 所述受電端包括依次相連的受電線圈、補(bǔ)償單元II、高頻整流器和負(fù)載； 其特征是：所述控制單元包括一個電流控制器和開關(guān)信號發(fā)生器，電流控制器的反饋 輸入端接收經(jīng)濾波后的高頻逆變器的直流側(cè)電流檢測信號，電流控制器的給定輸入端接收 所述交流供電電源的電壓檢測信號經(jīng)絕對值變換和乘以系數(shù)G后的信號，所述電流控制器 的輸出連接所述開關(guān)信號發(fā)生器的輸入端，所述開關(guān)信號發(fā)生器的輸出連接高頻逆變器和 尚頻整流器功率開關(guān)控制端。2. 如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，其特征是：所述工頻整流器和高 頻整流器為無源整流器，為四個二極管組成的單相全橋整流器電路，用于單向非接觸式功 率傳輸系統(tǒng)，即功率由所述送電端向所述受電端的負(fù)載傳輸。3. 如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，其特征是：所述工頻整流器和高 頻整流器為有源Η橋整流器，為四個帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管組成的Η橋變換電路，用 于雙向非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，即功率可在所述送電端與所述受電端之間雙向傳輸。4. 如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，其特征是：所述工頻整流器設(shè)有 同步整流控制單元，同步整流控制單元包括比較器和反相器，通過比較器實(shí)現(xiàn)對輸入交流 電壓的比較，反相器實(shí)現(xiàn)邏輯反相；當(dāng)輸入交流電壓大于0時，所述比較器輸出邏輯" 1"，所 述反相器輸出為邏輯"0"。5. 如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，其特征是：所述高頻逆變器為有 源Η橋逆變器，為四個帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管組成的Η橋變換電路。6. 如權(quán)利要求1所述的一種非接觸式功率傳輸系統(tǒng)，其特征是：所述高頻逆變器為有 源半橋逆變器，為兩個帶反并聯(lián)二極管的功率開關(guān)管組成的半橋變換電路。7. -種基于如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)的控制方法，其特征是：包括以下步 驟： (1) 檢測送電端高頻逆變器的直流側(cè)電流，經(jīng)濾波處理后得到電流反饋信號送到控制 單元電流控制器的反饋輸入端； (2) 檢測送電端交流供電電源電壓，經(jīng)絕對值變換和乘以系數(shù)G后得到給定指令電流 信號送到控制單元電流控制器的給定輸入端； (3) 電流控制器對給定輸入信號和電流反饋信號進(jìn)行處理輸出控制信號至開關(guān)信號發(fā) 生器的輸入端，然后由開關(guān)信號發(fā)生器控制高頻逆變器和高頻整流器的功率開關(guān)管，使電 流反饋信號跟蹤給定輸入信號。8. 如權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征是：所述步驟（2)中，系數(shù)G可由所述受電端 負(fù)載電壓/電流/功率的閉環(huán)控制得到。9. 如權(quán)利要求7所述的控制方法，其特征是：所述步驟（3)中，當(dāng)功率由所述送電端向 受電端傳輸時，開關(guān)信號發(fā)生器控制高頻逆變器的功率開關(guān)管； 所述步驟（3)中，當(dāng)功率由所述受電端向送電端傳輸時，開關(guān)信號發(fā)生器控制高頻整 流器的功率開關(guān)管。
【文檔編號】H02J3/18GK105846549SQ201510015953
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月13日
【發(fā)明人】王廣柱
【申請人】山東大學(xué)