一种恒流送能装置的制作方法

1.本发明涉及电力系统技术、电力电子技术领域，具体涉及一种恒流送能装置。


背景技术：

2.无线能量传输技术作为目前研究热点，可支持负载设备以非接触方式获取电能，有效提高能量获取的安全性、灵活性、可靠性及使用寿命，其实用化研究对提升电网多环节智能化水平具有重要意义。但目前无线能量传输技术类型一般为一个电源在同一个时刻只能给单一负载供电。


技术实现要素：

3.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的无线能量传输技术中一个电源在同一个时刻只能给单一负载供电的缺陷，从而提供一种恒流送能装置。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明实施例提供一种恒流送能装置，包括：发射模块、接收模块及中继模块，其中，发射模块、中继模块及接收模块相互之间依次通过无线耦合的非接触方式连接，发射模块将能量依次发送给中继模块和接收模块；中继模块包括多个中继单元，每个中继单元间通过无线耦合的非接触方式串行连接，每个中继单元和接收模块均连接一个负载；每个中继单元通过其内部的补偿回路对发射模块或上一级将中继单发送的能量进行补偿，同时为全部负载提供具有相同电流参数的电能。
6.在一实施例中，发射模块通过无线耦合的非接触方式，将初始电能传输至第一级中继单元；每一级中继单元均从其对应上一级中继单元取能，并将接收的电能作为初始电能，利用初始电能为其所连接负载供电，并将负载耗能后的剩余电能补偿至与初始电能具有相同电流参数的水平，得到发射电能，并将发射电能传输至其对应的下一级中继单元；最后一级中继单元将发射电能通过无线耦合的非接触方式传输至接收模块，接收模块利用发射电能为其所连接负载供电。
7.在一实施例中，发射模块包括：高频交流电源、发射电容及发射电感，其中，高频交流电源、发射电容及发射电容依次串联连接，构成串联回路；发射电容及发射电感构成高频交流电源的电能发射回路。
8.在一实施例中，每个中继单元均包括：接收补偿电路及发射补偿电路，其中，接收补偿电路的第一端与发射补偿电路的第一端连接，其第二端与负载的第一端连接，负载的第二端与发射补偿电路的第二端连接；接收补偿电路用于接收发射模块发送的初始电能，或接收上一级中继单元发送的发射电能，并将接收的初始电能或发射电能输送至负载并对负载耗能后的电能进行初次补偿；发射补偿电路用于对负载耗能后的电能进行再次补偿，得到与初始电能具有相同电流参数的发射电能，并将发射电能传输至下一级中继单元或接收模块。
9.在一实施例中，接收模块包括：接收电感及接收电容，其中，负载、接收电感及接收
电容依次串联连接，构成串联回路；接收电感及接收电容构成负载的馈电回路。
10.在一实施例中，接收补偿电路包括：第一电感及第一电容，其中，第一电感的第一端与第一电容的第一端连接，其第二端与对应负载的第一端连接，第一电容的第二端与发射补偿电路的第一端连接，负载的第二端与发射补偿电路的第二端连接。
11.在一实施例中，发射补偿电路包括：第二电容、第三电容及第二电感，其中，第二电容的第一端与第一电容的第一端连接，并通过第三电容与第二电感的第一端连接，第二电容的第二端与第二电感的第二端及负载的第二端连接。
12.在一实施例中，每一级中继单元的谐振条件满足下式：
[0013][0014]
其中，ω0表示工作角频率，l
0_1
表示发射电感参数，c
0_1
表示发射电容参数，l
i_r
表示每一级中继单元31中的第一电感参数，c
i_r
表示每一级中继单元31中的第一电容参数，l
i_t
表示每一级中继单元31中的第二电感参数，c
fi
表示每一级中继单元31中的第二电容参数，c
i_t
表示每一级中继单元31中的第三电容参数，其中，i＝1,2,3
…
n，l
n_r
表示接收电感参数，c
n_r
表示接收电容参数。
[0015]
在一实施例中，通过改变中继单元的电感参数和/或电容参数，改变其所连接负载的功率。
[0016]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0017]
1.本发明提供的恒流送能装置，中继模块包括多个中继单元，每个中继单元间通过无线耦合的非接触方式串行连接，减小了装置体积，发射模块将能量依次发送至中继模块和接收模块，且每个中继单元通过其内部的补偿回路对接收的能量进行补偿，从而实现为全部负载提供恒流电能，提升装置容量和能量传输输出能力。
[0018]
2.本发明提供的恒流送能装置，中继单元中的补偿回路对接收的电能进行补偿，且中继单元中的电感及电流满足谐振条件，从而实现各负载相互独立的恒流源输出特性，装置不会因为单级负载的波动而影响其它负载供电。补偿回路采用电容和电感谐振，电感线圈形位误差主要影响互感变化，电感变化程度小，根据装置拓扑的特性，形位误差对输出电流恒流特性影响小，因此装置鲁棒性较强。
附图说明
[0019]
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，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1为本发明实施例提供的恒流送能装置的一个具体示例的组成图；
[0021]
图2为本发明实施例提供的恒流送能装置的另一个具体示例的组成图；
[0022]
图3为本发明实施例提供的恒流送能装置的具体电路结构；
[0023]
图4为本发明实施例提供的中继单元的一个具体示例的组成图；
[0024]
图5为本发明实施例提供的恒流送能装置的等效电路结构。
具体实施方式
[0025]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0027]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0028]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0029]
实施例
[0030]
本发明实施例提供一种恒流送能装置，应用于为多个负载提供恒流电能的场合，如图1所示，包括：发射模块1、接收模块2及中继模块3。
[0031]
本发明实施例的发射模块1、中继模块3及接收模块2相互之间依次通过无线耦合的非接触方式连接，发射模块1将能量依次发送给中继模块3和接收模块2，即发射模块1将能量首先发送至中继模块3，之后由中继模块3将能量发送至接收模块2。
[0032]
如图1所示，本发明实施例的中继模块3包括多个中继单元31，每个中继单元31间通过无线耦合的非接触方式串行连接，每个中继单元31和接收模块2均连接一个负载；每个中继单元31通过其内部的补偿回路对发射模块1或上一级将中继单发送的能量进行补偿，同时为全部负载提供具有相同电流参数的电能。
[0033]
本发明实施例的中继模块3由多个中继单元31构成，相邻的中继单元31通过无线耦合的非接触方式串行连接。发射模块1通过无线耦合的非接触方式首先将能量依次传递给每个中继单元31，每个中继单元31不仅为其所连接的负载供电，还利用其内部的补偿回路对供电后的剩余能量进行补偿，使得补偿后的能量与供电之前的能量相同，从而实现对每个负载进行恒流送能。
[0034]
本发明实施例提供的恒流送能装置，中继模块包括多个中继单元，每个中继单元间通过无线耦合的非接触方式串行连接，减小了装置体积，发射模块将能量依次发送至中继模块和接收模块，且每个中继单元通过其内部的补偿回路对接收的能量进行补偿，从而实现为全部负载提供恒流电能，提升装置容量和能量传输输出能力。
[0035]
在一具体实施例中，发射模块1通过无线耦合的非接触方式，将初始电能传输至第一级中继单元；每一级中继单元均从其对应上一级中继单元取能，并将接收的电能作为初始电能，利用初始电能为其所连接负载供电，并将负载耗能后的剩余电能补偿至与初始电能具有相同电流参数的水平，得到发射电能，并将发射电能传输至其对应的下一级中继单
元；最后一级中继单元将发射电能通过无线耦合的非接触方式传输至接收模块2，接收模块2利用发射电能为其所连接负载供电。
[0036]
具体地，如图2所示，中继单元#1～中继单元#n分别与负载#1～负载#n连接，接收模块2与负载#n连接，发射模块1将初始电能发送至中继单元#1，中继单元#1利用初始电能为负载#1供电，并将供电后的剩余电能补偿至与初始电能具有相同电流参数的水平，得到发射电能，并将发射电能发送至中继单元#2，中继单元#2将从中继单元#1接收的发射电能作为初始电能，利用初始电能为负载#2供电，并将供电后的剩余电能补偿至与初始电能具有相同电流参数的水平，得到发射电能，并将发射电能发送至中继单元#3，以此类推，直到中继单元#n将从中继单元#n
‑
1接收的发射电能作为初始电能，利用初始电能为负载#n供电，并将供电后的剩余电能补偿至与初始电能具有相同电流参数的水平，得到发射电能，并将发射电能发送至接收模块2，接收模块2利用发射电能为负载#n供电，依照上述方法，可以实现为多个负载提供恒流电能、发射模块1恒流送能。
[0037]
在一具体实施例中，如图3所示，发射模块1包括：高频交流电源v0、发射电容c
0_t
及发射电感l
0_t
，其中，高频交流电源v0、发射电容c
0_t
及发射电感l
0_t
依次串联连接，构成串联回路；发射电容c
0_t
及发射电感l
0_t
构成高频交流电源v0的电能发射回路。
[0038]
本发明实施例的高频交流电源v0可由交流电经过h桥逆变器转换成直流获得，或由交流电经过h桥逆变器转换成直流之后，再经过dc
‑
dc等电路进行电压转换得到。
[0039]
在一具体实施例中，如图4所示，每个中继单元31均包括：接收补偿电路311及发射补偿电路312。
[0040]
如图4所示，本发明实施例的接收补偿电路311的第一端与发射补偿电路312的第一端连接，其第二端与负载的第一端连接，负载的第二端与发射补偿电路312的第二端连接；接收补偿电路311用于接收发射模块1发送的初始电能，或接收上一级中继单元发送的发射电能，并将接收的初始电能或发射电能输送至负载并对负载耗能后的电能进行初次补偿；发射补偿电路312用于对负载耗能后的电能进行再次补偿，得到与初始电能具有相同电流参数的发射电能，并将发射电能传输至下一级中继单元或接收模块2。
[0041]
在一具体实施例中，如图3所示，接收模块2包括：接收电感l
n_r
及接收电容c
n_r
，其中，负载、接收电感l
n_r
及接收电容c
n_r
依次串联连接，构成串联回路；接收电感l
n_r
及接收电容c
n_r
构成负载的馈电回路，图3中的r1～r
n
分别为中继单元#1～中继单元#n的负载，r
n
为接收模块2的负载。
[0042]
在一具体实施例中，如图3所示，接收补偿电路311包括：第一电感(l
1_r
～l
n_r
)及第一电容(c
1_r
～c
n_r
)，其中，第一电感(l
1_r
～l
n_r
)的第一端与第一电容(c
1_r
～c
n_r
)的第一端连接，其第二端与对应负载(r1～r
n
)的第一端连接，第一电容(c
1_r
～c
n_r
)的第二端与发射补偿电路312的第一端连接，负载的第二端与发射补偿电路312的第二端连接。
[0043]
在一具体实施例中，如图3所示，发射补偿电路312包括：第二电容(c
f1
～c
fn
)、第三电容(c
1_t
～c
n_t
)及第二电感(l
1_t
～l
n_t
)，其中，第二电容(c
f1
～c
fn
)的第一端与第一电容(c
1_r
～c
n_r
)的第一端连接，并通过第三电容(c
1_t
～c
n_t
)与第二电感(l
1_t
～l
n_t
)的第一端连接，第二电容(c
f1
～c
fn
)的第二端与第二电感(l
1_t
～l
n_t
)的第二端及负载的第二端连接。
[0044]
在一具体实施例中，每个中继单元31的第一电感(l
1_r
～l
n_r
)为接收线圈，第二电感(l
1_t
～l
n_t
)为发射线圈，接收线圈接收上一级中继单元或发射模块1发送的能量，发射线
圈将补偿后的能量发送至下一级中继单元或接收模块2。
[0045]
为了实现为每个负载提供恒流电能，现定义每个电感电流方向如图3所示，且相邻电感的互感为m
1～
m
n
，其中n为中继单元31的个数，故相邻中继单元31之间的耦合系数如式(1)所示：
[0046][0047]
考虑到图3中每个电感的寄生电阻对能量的影响，现将图3所示的恒流送能装置电路等效为图5所示的等效电路模型，图中i
0_t
为发射电感l
0_t
的电流，r
0_t
为发射电感l
0_t
的寄生电阻，m
0_1
为发射电感l
0_t
与中继单元#1的第一电感l
1_r
的互感系数，ω0为角频率，i
1_r
为中继单元#1的第一电感l
1_r
的电流，r
1_r
为中继单元#1的第一电感l
1_r
的寄生电阻，i
1_t
为中继单元#1的第二电感l
1_t
的电流，r
1_t
为中继单元#1的第二电感l
1_t
的寄生电阻，m
1_2
为中继单元#1的第二电感l
1_t
与中继单元#1的第一电感l
2_r
的互感系数，i
2_r
为中继单元#2的第一电感l
2_r
的电流，r
2_r
为中继单元#2的第一电感l
2_r
的寄生电阻，i
2_t
为中继单元#2的第二电感l
2_t
的电流，r
2_t
为中继单元#2的第二电感l
2_t
的寄生电阻，m
2_3
为中继单元#2的第二电感l
2_t
与中继单元#3的第一电感l
3_r
的互感系数，i
n_r
为接收电感l
n_r
的电流，r
n_r
为接收电感l
n_r
的寄生电阻，m
n_n
为中继单元#n的第二电感l
n_t
与接触电感的互感系数。
[0048]
根据基尔霍夫电压定律，可以得到各回路的电压方程，如式(2)所示。
[0049][0050]
其中，z
0_t
＝r
0_t
+j(ω0l
0_t
–
1/ω0c
0_t
)，z
1_r
＝r1+r
1_r
+j(ω0l
1_r
–
1/ω0c
1_r
–
1/ω0c
f1
)，z
1_t
＝r
1_t
+j(ω0l
1_t
–
1/ω0c
1_t
–
1/ω0c
f1
)，
…
，z
n_r
＝r
n
+r
n_r
+j(ω0l
n_r
–
1/ω0c
n_r
)，ω0是装置的角频率。
[0051]
因此为了实现恒流送能，各中继单元31应满足式(3)中的谐振条件。
[0052][0053]
其中，ω0表示工作角频率，l
0_1
表示发射电感参数，c
0_1
表示发射电容参数，l
i_r
表示每一级中继单元31中的第一电感参数，c
i_r
表示每一级中继单元31中的第一电容参数，l
i_t
表示每一级中继单元31中的第二电感参数，c
fi
表示每一级中继单元31中的第二电容参数，c
i_t
表示每一级中继单元31中的第三电容参数，其中，i＝1,2,3
…
n，l
n_r
表示接收电感参数，c
n_r
表示接收电容参数。
[0054]
在一具体实施例中，在理想条件下，电感的寄生电阻很小，可以忽略不计，因此将(3)代入(2)可得各电感电流(即负载电流)为：
[0055][0056]
由式(4)可知，各负载电流不依靠负载电阻阻值，因此本发明实施例提出的恒流送能装置可以实现为各负载提供恒流电能，负载电流和补偿电容(第二电容c
fi
)有关，由于电容较为稳定，负载电流也相对比较稳定。同时通过改变中继单元的电感参数和/或电容参数，改变其所连接负载的功率，即负载功率可以独立控制，且恒流送能装置不会因为单级负载的波动而影响其它负载供电。
[0057]
本发明实施例提供的恒流送能装置，中继单元中的补偿回路对接收的电能进行补偿，且中继单元中的电感及电流满足谐振条件，从而实现各负载相互独立的恒流源输出特性，装置不会因为单级负载的波动而影响其它负载供电。补偿回路采用电容和电感谐振，电感线圈形位误差主要影响互感变化，电感变化程度小，根据装置拓扑的特性，形位误差对输出电流恒流特性影响小，因此装置鲁棒性较强。
[0058]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。