一种电能发射端、无线电能传输装置和无线电能传输方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种电能发射端、无线电能传输 装置和无线电能传输方法。
【背景技术】
[0002] 无线电能传输技术由于其方便实用的特点而广泛应用于电子产品领域，目前，实 现无线电能传输的方式主要有磁感应式和磁共振式两种方式，磁感应式由于受传输距离的 限制其应用场合非常有限，磁共振式无线电能传输能够实现远距离、大功率的电能传输，可 以广泛应用于电子终端、电动汽车、水下、地下等用电设备的充电和供电。
[0003] 磁共振式无线电能传输装置主要包括发射部分和接收部分，两者通过电磁共振原 理实现能量传输的最大化。如图1所示为磁共振式无线电能传输装置的电路框图，发射部 分包括有原边发射线圈Ls和谐振电容Cs组成的谐振结构，接收部分包括有副边接收线圈 Ld和谐振电容Cd组成的谐振机构。为了保证无线功率能够有效传输，通常要求原副边的谐 振结构的谐振点一致或非常接近，并记作系统的工作频率。
[0004] 磁共振无线电能传输系统在原边线圈和副边线圈耦合程度较高时，会出现频率分 叉现象，即系统的最优效率点或最大功率传输点会偏离系统的谐振频率。为了解决频率分 叉现象，现有技术中有两种解决方案：一是采取变频控制，在原副边线圈耦合变化的情况 下，通过改变系统的工作频率来跟踪系统的最优效率或最大功率点；二是设置系统的阻抗 调节网络，通过改变系统参数使得系统可以仍然工作在谐振频率点。对于变频的控制方案， 为了兼容国际的电磁辐射标准，通常仅限于用于低频（通常在150kHz以内）工作的情况 下；对于高频工作时，通常要求系统工作频率位于ISM频段（6. 78MHz)，而ISM频段范围很 窄，不允许调节系统工作频率。
[0005] 对于阻抗匹配的控制方案，一种是在电路系统中需要有多个反馈环路来调节匹配 电路中的压控电容的电压偏置，从而改变压控电容的容值，调整系统的谐振参数，从而使得 定频工作成为可能，通过实时的反馈系统来调节压控电容的容值，控制系统非常复杂，而且 高压的压控电容造价昂贵。另一种阻抗匹配方案如图2所示，通过在原副边各增加一个线 圈，一个输入线圈，一个输出线圈（如图2中的Lg或U所示），通过手动调整输入线圈和原 边线圈的耦合关系，以及输出线圈和副边线圈的耦合关系来改变系统的阻抗匹配网络，而 手动的调节则明显不适用于原副边相对位置存在变化以及负载变动的情况。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提出了一种新的电能发射端、无线电能传输装置和无线电能传 输方法，其通过电流调制电路调节原边线圈的电流信号，使得通过原边线圈的电流为恒定 频率恒定幅值的交变电流信号，这样可保证无论副边与原边的耦合情况是否良好或副边负 载发生变动的情况下，均可保证能量的传输效率达到最大化。
[0007] 第一方面，依据本发明的一种电能发射端，用以向与其隔离的电能接收端传输能 量，所述电能发射端包括：
[0008] 电压变换器，接收电能以输出具有预设频率的高频交流电；
[0009] 电流调制电路，接收所述高频交流电，以获得调节电流信号；
[0010] 电能发射部分，包括原边发射线圈，所述原边发射线圈用于接收所述调节电流信 号，以向所述电能接收端传输能量；
[0011] 其中，所述预设频率与所述电能发射端和电能接收端的系统工作频率一致，所述 调节电流信号为具有恒定频率恒定幅值的交变电流信号。
[0012] 进一步的，所述电流调制电路为谐振电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设 频率一致。
[0013] 优选的，所述电流调制电路包括由第一电感和第一电容组成的谐振电路，
[0014] 所述第一电感的第一端连接所述电压变换器的正输出端，第二端接至所述原边发 射线圈的第一端；
[0015] 所述第一电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，第二端接所述电压变换器 的负输出端；
[0016] 其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第一 电感和第一电容的公共连接点的信号作为所述调节电流信号。
[0017] 优选的，所述电流调制电路包括第一电感和第一电容组成的谐振电路，
[0018] 所述第一电容的第一端连接所述电压变换器的正输出端，第二端接至所述原边发 射线圈的第一端；
[0019] 所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端连接，第二端接所述电压变换器 的负输出端；
[0020] 其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致，并且，所述第一 电感和第一电容的公共连接点的信号作为所述调节电流信号。
[0021] 进一步的，还包括第二电感，所述第二电感的第一端连接所述第一电感的第二端， 第二端连接所述原边发射线圈的第一端，
[0022] 其中，所述第二电感的电感值与所述第一电感的电感值相同。
[0023] 进一步的，还包括第二电容，所述第二电容的第一端连接所述第一电感的第一端， 第二端连接所述电压变换器的负输出端，
[0024] 其中，所述第二电容的电容值与所述第一电容的电容值相同。
[0025] 进一步的，还包括第三电容，所述第三电容的第一端连接所述第一电容的第二端， 第二端接所述原边发射线圈的第一端，
[0026] 其中，所述第三电容的电容值与所述第一电容的电容值相同。
[0027] 进一步的，还包括第三电感，所述第三电感的第一端连接所述第一电容的第一端， 第二端连接所述电压变换器的负输出端，
[0028] 其中，所述第三电感的电感值与所述第一电感的电感值相同。
[0029] 第二方面，依据本发明的一种无线电能传输装置，包括；
[0030] 电压变换器，接收电能以输出具有预设频率的高频交流电；
[0031] 电流调制电路，接收所述高频交流电，以获得调节电流信号；
[0032] 电能发射部分，包括原边发射线圈，所述原边发射线圈接收所述调节电流信号；
[0033] 电能接收部分，包括副边接收线圈，所述副边接收线圈用于接收从电能发射部分 传输的能量；
[0034] 其中，所述预设频率与所述无线电能传输装置的系统工作频率一致，所述调节电 流信号为具有恒定频率恒定幅值的交变电流信号。
[0035] 进一步的，所述电流调制电路为谐振电路，所述谐振电路的谐振频率与所述预设 频率一致。
[0036] 优选的，所述电流调制电路包括由第一电感和第一电容组成的谐振电路，
[0037] 所述第一电感的第一端连接所述电压变换器的正输出端，第二端接至所述原边发 射线圈的第一端；
[0038] 所述第一电容的第一端与所述第一电感的第二端连接，第二端接所述电压变换器 的负输出端；
[0039] 其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致并且，所述第一 电感和第一电容的公共连接点的信号作为所述调节电流信号。
[0040] 优选的，所述电流调制电路包括由第一电感和第一电容组成的谐振电路，
[0041] 所述第一电容的第一端连接所述电压变换器的正输出端，第二端接至所述原边发 射线圈的第一端；
[0042] 所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端连接，第二端接所述电压变换器 的负输出端；
[0043] 其中，所述第一电感和第一电容的谐振频率与所述预设频率一致并且，所述第一 电感和第一电容的公共连接点的信号作为所述调节电流信号。
[0044] 第三方面，依据本发明的一种无线电能传输方法，通过相互隔离的电能发射端和 电能接收端传输能量，包括：
[0045] 接收电能以输出具有预设频率的高频交流电，所述预设频率与所述电能发射端和 电能接收端的系统工作频率一致；
[0046] 接收所述高频交流电，通过对所述高频交流电进行电流调制，以获得具有恒定频 率恒定幅值的调节电流信号；
[0047] 电能发射端中的原边发射线圈接收所述调节电流信号，并据此向电能接收端中的 副边接收线圈传输能量。
[0048] 进一步的，对所述高频交流电进行电流调制的具体步骤包括：
[0049] 利用由电感和电容组成的电流调制电路对所述高频交流电进行调制，其中，所述 电感和电容的谐振频率与所述预设频率一致。
[0050] 通过上述的电能发射端、无线电能传输装置和无线电能传输方法，利用电流调制 电路使得原边线圈的电流为恒定频率恒定幅值的交变电流信号，本发明的无线电能传输系 统具有以下有益效果：
[0051] 1)在原边线圈的周围空间中产生恒定频率恒定幅值的交变磁场，保证原边传输至 副边的电能不因外界变动因素如原副边线圈的位置变化（即原副边线圈耦合强度改变）或 负载的改变而发生变动。
[0052] 2)通过产生恒定频率恒定幅度的交变磁场，极大的有利于无线传输装置中副边接 收端部分设计。
[0053] 3)由于在电能发射端产生恒定的空间磁场，可以实现单个发射线圈对应多个接收 接圈，接收线圈之间相互不干扰，能够实现多路输出的独立控制。
[0054] 4)本发明使得系统可以工作在固定的频率，省略了频率跟踪的复杂系统。原边发 射系部分不需要采用复杂的反馈机制来改变压控电容的容值，系统结构得到简化。本发明 所使用的系统结构简单，但能较复杂的应用环境，可以应对原副边线圈耦合的变化，负载的 变化等。
【附图说明】
[0055] 图1所示为磁共振式无线电能传输装置的电路框图；
[0056] 图2所示为现有技术中的磁共振式无线电能传输装置的阻抗匹配的一种实现方 式；
[0057] 图3所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路框图；
[0058] 图4所示为依据本发明的电能发射端的第二种实现方式的电路框图；
[0059] 图5所示为依据本发明的电能发射端的第三种实现方式的电路框图；
[0060] 图6所示为依据本发明的电能发射端的第四种实现方式的电路框图；
[0061] 图7所示为依据本发明的电能发射端的第五种