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

本发明涉及无线供电，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

技术实现思路

1、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。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

3、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；

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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：

10、s1：检测接收电路输出包络电压状态；

11、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；

12、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；

13、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。

14、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。

15、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。

16、发明的显著效果是：

17、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。

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；

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：

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。

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：
技术公布日：2024/1/13