一种基于模态切换提升效率的MC-WPT系统及其效率提升方法

一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统及其效率提升方法
技术领域
1.本发明涉及磁耦合无线电能传输(magnetically-coupled wireless powertransfer,mc-wpt)技术领域，尤其涉及一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统及其效率提升方法。


背景技术：

2.无线电能传输技术(wpt)是一种借助于软介质实现电能以无线方式进行传递的新兴技术，它利用高频磁场、电场和超声波等中间载体将能量以电气隔离的方式从电源传输至用电设备。与传统供电方式相比，它具有安全、便捷、灵活等优点。
3.实际应用中，无线传能系统的耦合和负载条件都可能变化，这会不可避免地导致系统偏离阻抗匹配状态，并导致系统效率降低。为了克服这个问题，可以利用对功率变换器的控制来改变等效负载阻抗以实现阻抗匹配，也称为最大效率点跟踪(mept)。尽管mept方法有明显的优点，但也有缺点，缺点是需要使用多个可控功率变换器、实时通信和协作控制，会增加系统成本、尺寸和控制的复杂性。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统及其效率提升方法，解决的技术问题在于：当系统负载条件发生变化时，如何不采用复杂的电路结构及控制方法，提升系统效率。
5.为解决以上技术问题，本发明提供一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，包括原边发射端和副边接收端，其关键在于，所述原边发射端包括顺序连接的直流电源、原边母线电容、原边双向切换开关、高频逆变器、原边谐振网络，所述副边接收端包括顺序连接的副边谐振网络、整流器、副边双向切换开关、副边母线电容和负载；
6.在系统从满载逐渐降低到轻载期间，当降低到半载时，所述原边切换电路用于控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，所述副边切换电路用于控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式。
7.优选的，所述原边母线电容包括顺序串联在所述整流电源的正极端和负极端之间的原边第一储能电容和原边第二储能电容；所述原边双向切换开关一端连接所述原边第一储能电容和所述原边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述高频逆变器的一逆变输出端。
8.优选的，原边双向切换开关由两个mos管反向串联而成；所述高频逆变器由mos管s1、s2、s3、s4构成，其中s1、s3连接成左半桥臂，s2、s4连接成右半桥臂；
9.当所述原边双向切换开关断开时，所述高频逆变器工作在全桥逆变工作模式；当所述原边双向切换开关闭合且mos管s1、s3关断时，在所述原边第一储能电容和所述原边第二储能电容的储能帮助下，所述高频逆变器工作在半桥开关逆变工作模式。
10.优选的，所述副边母线电容包括顺序串联在所述负载的正极端和负极端之间的副
边第一储能电容和副边第二储能电容；所述副边双向切换开关一端连接所述副边第一储能电容和所述副边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述整流器的一整流输入端。
11.优选的，副边双向切换开关由两个mos管反向串联而成；当所述副边双向切换开关断开时，所述整流器工作在全桥整流工作模式；当所述副边双向切换开关闭合时，在所述副边第一储能电容和所述副边第二储能电容的储能帮助下，所述整流器工作在半桥倍压整流工作模式，所述负载的电压得到倍增。
12.优选的，当系统从满载逐渐降低到1/4载时，负载电阻增至4倍，所述副边谐振网络的后级电路所等效而成的等效负载缩小4倍，此时所述等效负载偏离最优负载点；在所述原边双向切换开关闭合且mos管s1、s3关断后，所述负载的电压缩小2倍，此时等效负载为4倍最佳负载点；
13.在所述副边双向切换开关闭合后，所述负载的电压增至2倍，此时等效负载从4倍最佳负载点缩小至最佳负载点。
14.优选的，所述原边谐振网络采用lcl型补偿网络，所述副边谐振网络采用s型补偿网络。
15.本发明还提供一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统的效率提升方法，其关键在于，包括步骤：
16.检测系统是否从满载逐渐降低到半载，若否则继续检测，若是则在降低到半载时控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式。
17.进一步地，所述原边母线电容包括顺序串联在所述整流电源的正极端和负极端之间的原边第一储能电容和原边第二储能电容；所述原边双向切换开关一端连接所述原边第一储能电容和所述原边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述高频逆变器的一逆变输出端；
18.所述高频逆变器由mos管s1、s2、s3、s4构成，其中s1、s3连接成左半桥臂，s2、s4连接成右半桥臂；
19.控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，具体为：闭合所述原边双向切换开关且关断mos管s1、s3。
20.进一步地，所述副边母线电容包括顺序串联在所述负载的正极端和负极端之间的副边第一储能电容和副边第二储能电容；所述副边双向切换开关一端连接所述副边第一储能电容和所述副边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述整流器的一整流输入端；
21.控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式，具体为：闭合所述副边双向切换开关。
22.本发明提供的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统及其效率提升方法，通过在原边侧的原边母线电容和高频逆变器之间设置原边双向切换开关，以及在副边侧的整流器和副边母线电容之间设置副边双向切换开关，在系统从满载逐渐降低到轻载期间，当降低到半载时，通过控制原边双向切换开关闭合且高频逆变器的mos管s1、s3关断将高频逆变器切换至半桥开关逆变工作模式，以及控制副边双向切换开关闭合，将整流器切换至半桥倍压整流工作模式，以使得副边谐振网络的后级电路所等效而成的等效负载贴近最优负载点，从而避免因轻载系统充电效率降低，而将系统效率提高。本发明针对无线电能传输系统
运行中的负载变化问题，在系统发射端逆变电路以及系统接收端整流器部分加入双向开关。通过对双向开关的控制来改变系统发射端逆变电路以及系统接收端整流器的工作模态，通过对系统模态的切换，有效提升系统能量传输效率，且适应谐振回路无电容的拓扑，有效避免磁件饱和的情况产生，控制方法简单。
附图说明
23.图1是本发明实施例提供的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统的电路拓扑图；
24.图2(a)是本发明实施例提供的mc-wpt系统的原边部分在高频逆变器处于全桥逆变工作模态下的电路图；
25.图2(b)是本发明实施例提供的mc-wpt系统的原边部分在高频逆变器处于半桥逆变工作模态下的电路图；
26.图3(a)是本发明实施例提供的mc-wpt系统的副边部分的整流线圈电压在负半周传输功率时的电路图；
27.图3(b)是本发明实施例提供的mc-wpt系统的副边部分的整流线圈电压在正半周传输功率时的电路图；
28.图4是本发明实施例提供的图1的等效电路拓扑图；
29.图5是本发明实施例提供的在全桥和半桥模式下系统效率随系统等效负载与最优负载点的比值变化的曲线图。
具体实施方式
30.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
31.本发明实施例提供的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，如图1所示，其包括原边发射端和副边接收端，原边发射端包括顺序连接的直流电源(dc source)、原边母线电容、原边双向切换开关(s5)、高频逆变器(由mos管s1、s2、s3、s4组成)、原边谐振网络(采用lcl型补偿网络，包括串联谐振电感lf、并联谐振电容cf和发射线圈l
p
)，副边接收端包括顺序连接的副边谐振网络(采用s型补偿网络，包括接收线圈ls和串联谐振电容cs)、整流器(由二极管d1、d2、d3、d4组成)、副边双向切换开关(s6)和负载(load，r
l
)。图1中，v
in
表示直流输出电压，u
in
、i
in
分别表示逆变输出电流，i
lp
表示原边线圈电流，i
ls
表示副边线圈电流，m表示原副边线圈之间的互感，uo表示输入整流器的电压，vo表示负载电压即系统输出电压，r
p
表示原边线圈等效串联电阻，rs表示副边线圈等效串联电阻。
32.当恒压输出的mc-wpt系统从满载逐渐降低到半载期间，当降低到半载时，原边双向切换开关用于控制高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，副边双向切换开关用于控制整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式。
33.从图1可以看到，原边母线电容包括顺序串联在直流电源的正极端和负极端之间的原边第一储能电容c
i1
和原边第二储能电容c
i2
；原边双向切换开关s5一端连接原边第一储能电容c
i1
和原边第二储能电容c
i2
的公共连接端，另一端连接高频逆变器的一逆变输出端。
还可以看到，原边双向切换开关s5由两个mos管反向串联而成，所述高频逆变器由mos管s1、s2、s3、s4构成，其中s1、s3连接成左半桥臂，s2、s4连接成右半桥臂。当原边双向切换开关s5断开时，高频逆变器工作在全桥逆变工作模式；当原边双向切换开关s5闭合且mos管s1、s3关断时，在原边第一储能电容c
i1
和原边第二储能电容c
i2
的储能帮助下，高频逆变器工作在半桥开关逆变工作模式。
34.从图1还可以看到，副边母线电容包括顺序串联在负载r
l
的正极端和负极端之间的副边第一储能电容c
o1
和副边第二储能电容c
o2
；副边双向切换开关s6一端连接副边第一储能电容c
o1
和副边第二储能电容c
o2
的公共连接端，另一端连接整流器的一整流输入端。副边双向切换开关s6由两个mos管反向串联而成；当副边双向切换开关s6断开时，整流器工作在全桥整流工作模式；当副边双向切换开关s6闭合时，在副边第一储能电容c
o1
和副边第二储能电容c
o2
的储能帮助下，整流器工作在半桥倍压整流工作模式，负载r
l
的电压得到倍增。
35.普通的全桥逆变电路切换成半桥逆变电路的输出中会带有直流分量，而本发明采用双向开关来进行切换，不会存在直流分量，也就不会存在磁饱和问题，可适应谐振回路无电容的拓扑，有效避免磁件饱和的情况产生。
36.图2(a)和图2(b)分别为mc-wpt系统的原边部分在高频逆变器处于全桥和半桥逆变工作模态下的电路图，图2(a)和图2(b)中的l和r为发射线圈自感与等效内阻。当原边双向切换开关s5闭合，s1和s3关断，高频逆变器从全桥逆变工作模态切换到半桥开关逆变工作模态。高频逆变器中的原边母线电容做成两个容值耐压值相等的分裂电容，做成分裂电容好处：1、为双向开关提供一个1/2母线电压的电位点，有了该电位点才可以利用双向开关进行全桥半桥的切换；2、具有隔直的作用，针对不具有隔直电容的谐振网络(比如lcl-s)，可以有效消除谐振网络中由母线直流侧带来的直流分量。
37.图3(a)和图3(b)分别为mc-wpt系统的副边部分的整流线圈电压在负半周和正半周传输功率时的电路图，图3(a)和图3(b)中的l和r为接收线圈自感与等效内阻。当接收线圈电压在正半周传输功率时，极性如图3(a)所示，左正右负，电流从正端经由二极管d1、上半桥电容c
o1
、副边双向切换开关s6回到负端，此时电容c
o1
充电。当接收线圈电压在负半周传输功率时，极性如图3(b)所示，左负右正，电流从正端经由副边双向切换开关s6、下半桥电容c
o2
、二极管d3回到负端，此时电容c
o2
充电。电容电压不能突变，因此切换后的瞬间，接收线圈电压首先会被拉回至原来的一半，切换后的每个周期正负半周分别向上下半桥电容充电至原来的线圈电压，而后上下半桥电容合作共同来为负载供电，负载电压得到倍增。
38.副边双向切换开关s6闭合前，副边整流桥及负载的等效负载为：
[0039][0040]
副边双向切换开关s6闭合后副边整流桥及负载的等效负载为：
[0041][0042]
负载变化都会使得等效负载发生变化，此时等效负载会偏离最优负载点，可以通过控制双向开关的开通和关断来切换系统逆变器和整流器的工作状态，将等效负载拉回到最优负载点。
[0043]
图4所示为双向开关效率匹配的原理图。假设系统最初工作在最优负载点，效率最
高，此时原边谐振网络输入电压为u
in
、输入功率为p
in
、输入电流为i
in
，整流器输入电压为u
eq
、输入功率为po，输出负载电压为u
l
，输出功率为p
l
。
[0044]
此时副边谐振网络后级电路的等效负载r
eq
为：
[0045][0046]
图5为在全桥和半桥模式下系统效率随系统等效负载变化的曲线图，图5中的全桥模式指高频逆变器和整流器均处于各自的全桥模式，半桥模式指高频逆变器和逆变器均处于各自的半桥模式。每个参数固定的系统只有一个最优负载点即最高效率点，一般会通过参数设计将最优负载点设计在系统额定工作功率处。当系统的负载出现波动，比如从满载变成轻载，负载增大，系统传输效率就会降低，这时候通过切换成半桥工作模式，将系统效率拉起来。比如系统原边工作在额定工作点a，效率最大，运行过程中可能出现负载波动的情况，效率降低，降到b点处，可以通过切换模态变成半桥模式，这时候负载继续变轻的话，相比于全桥模式系统效率会提高。c点为1/4载的最优负载点，因此系统只有准确切到1/4载的时候，系统才能维持最高效率，否则只是在一定的范围内实现效率提高，并不能达到最优。也就是说，当系统变为1/2载时，从半桥模式切换到半桥模式，此后半桥模式的效率将高于切换前的全桥模式，而后随着系统等效负载越来越大，系统效率越来越高，在1/4载时，达到最佳效率点。
[0047]
当系统从满载到1/4载，电阻变化，r
l
变为4倍r
l
，由于lcl-s的恒压特性，u
eq
以及u
l
不变，r
eq
变为4倍r
eq
，输出功率降低为：
[0048][0049]
此时的r
eq
(r'
eq
)偏离了最优负载点r
opt
。
[0050][0051]
输入功率变成po/4，u
in
不变，i
in
变为之前的1/4。
[0052]
当系统原边从全桥逆变切换成半桥，原边输入电压和输入电流减半，副边输出电压和电流也减半，负载电压u
l
变为u
l
/2。
[0053][0054]
此时等效负载为：
[0055][0056]
此时闭合副边双向切换开关，根据副边双向切换开关倍压原理，负载电压倍增，从ul
/2上升到u
l
，负载为4r
l
，负载功率上升到p
l
/4：
[0057][0058]
此时u
eq
不变，输出功率上升到po/4。此时的等效负载为：
[0059][0060]
此时功率下降为原来的1/4，但等效负载回到了最优负载点，效率重新达到最优。
[0061]
也即是，当系统从满载逐渐降低到1/4载时，负载电阻增至4倍，副边谐振网络的后级电路所等效而成的等效负载缩小4倍，此时等效负载偏离最优负载点；
[0062]
当原边双向切换开关闭合且mos管s1、s3关断后，负载的电压缩小2倍，此时等效负载为4倍最佳负载点；
[0063]
当副边双向切换开关闭合后，负载的电压增至2倍，此时等效负载从4倍最佳负载点缩小至最佳负载点。
[0064]
基于上述系统，本发明实施例还提供一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统的效率提升方法，包括步骤：
[0065]
检测系统是否从满载逐渐降低到半载，若否则继续检测，若是则在降低到半载时控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式。
[0066]
其中，控制高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，具体为：闭合原边双向切换开关且关断mos管s1、s3。控制整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式，具体为：闭合副边双向切换开关。
[0067]
综上所述，本发明实施例提供的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统及其效率提升方法，通过在原边侧的原边母线电容和高频逆变器之间设置原边双向切换开关，以及在副边侧的整流器和副边母线电容之间设置副边双向切换开关，从而在系统从满载逐渐降低到轻载期间，当降低到半载时，通过控制原边双向切换开关闭合且高频逆变器的mos管s1、s3关断将高频逆变器切换至半桥开关逆变工作模式，以及控制副边双向切换开关闭合，将整流器切换至半桥倍压整流工作模式，以使得所述副边谐振网络的后级电路所等效而成的等效负载贴近最优负载点，从而避免因轻载系统充电效率降低，而将系统效率提高。本发明针对无线电能传输系统运行中的负载变化问题，在系统发射端逆变电路以及系统接收端整流器部分加入双向开关。通过对双向开关的控制来改变系统发射端逆变电路以及系统接收端整流器的工作模态，通过对系统模态的切换，有效提升系统能量传输效率，且适应谐振回路无电容的拓扑，有效避免磁件饱和的情况产生，控制方法简单。
[0068]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，包括原边发射端和副边接收端，其特征在于，所述原边发射端包括顺序连接的直流电源、原边母线电容、原边双向切换开关、高频逆变器、原边谐振网络，所述副边接收端包括顺序连接的副边谐振网络、整流器、副边双向切换开关、副边母线电容和负载；在系统从满载逐渐降低到轻载期间，当降低到半载时，所述原边切换电路用于控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，所述副边切换电路用于控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式。2.根据权利要求1所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，其特征在于，所述原边母线电容包括顺序串联在所述整流电源的正极端和负极端之间的原边第一储能电容和原边第二储能电容；所述原边双向切换开关一端连接所述原边第一储能电容和所述原边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述高频逆变器的一逆变输出端。3.根据权利要求2所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，其特征在于：原边双向切换开关由两个mos管反向串联而成；所述高频逆变器由mos管s1、s2、s3、s4构成，其中s1、s3连接成左半桥臂，s2、s4连接成右半桥臂；当所述原边双向切换开关断开时，所述高频逆变器工作在全桥逆变工作模式；当所述原边双向切换开关闭合且mos管s1、s3关断时，在所述原边第一储能电容和所述原边第二储能电容的储能帮助下，所述高频逆变器工作在半桥开关逆变工作模式。4.根据权利要求2所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，其特征在于：所述副边母线电容包括顺序串联在所述负载的正极端和负极端之间的副边第一储能电容和副边第二储能电容；所述副边双向切换开关一端连接所述副边第一储能电容和所述副边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述整流器的一整流输入端。5.根据权利要求4所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，其特征在于：副边双向切换开关由两个mos管反向串联而成；当所述副边双向切换开关断开时，所述整流器工作在全桥整流工作模式；当所述副边双向切换开关闭合时，在所述副边第一储能电容和所述副边第二储能电容的储能帮助下，所述整流器工作在半桥倍压整流工作模式，所述负载的电压得到倍增。6.根据权利要求5所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，其特征在于，当系统从满载逐渐降低到1/4载时，负载电阻增至4倍，所述副边谐振网络的后级电路所等效而成的等效负载缩小4倍，此时所述等效负载偏离最优负载点；在所述原边双向切换开关闭合且mos管s1、s3关断后，所述负载的电压缩小2倍，此时等效负载为4倍最佳负载点；在所述副边双向切换开关闭合后，所述负载的电压增至2倍，此时等效负载从4倍最佳负载点缩小至最佳负载点。7.根据权利要求1所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统，其特征在于：所述原边谐振网络采用lcl型补偿网络，所述副边谐振网络采用s型补偿网络。8.一种根据权利要求1～7任意一项所述一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统的效率提升方法，其特征在于，包括步骤：检测系统是否从满载逐渐降低到半载，若否则继续检测，若是则在降低到半载时控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式。
9.根据权利要求8所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统的效率提升方法，其特征在于：所述原边母线电容包括顺序串联在所述整流电源的正极端和负极端之间的原边第一储能电容和原边第二储能电容；所述原边双向切换开关一端连接所述原边第一储能电容和所述原边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述高频逆变器的一逆变输出端；所述高频逆变器由mos管s1、s2、s3、s4构成，其中s1、s3连接成左半桥臂，s2、s4连接成右半桥臂；控制所述高频逆变器从全桥逆变工作模式切换到半桥开关逆变工作模式，具体为：闭合所述原边双向切换开关且关断mos管s1、s3。10.根据权利要求9所述的一种基于模态切换提升效率的mc-wpt系统的效率提升方法，其特征在于：所述副边母线电容包括顺序串联在所述负载的正极端和负极端之间的副边第一储能电容和副边第二储能电容；所述副边双向切换开关一端连接所述副边第一储能电容和所述副边第二储能电容的公共连接端，另一端连接所述整流器的一整流输入端；控制所述整流器从全桥整流工作模式切换到半桥倍压整流工作模式，具体为：闭合所述副边双向切换开关。

技术总结
本发明涉及磁耦合无线电能传输(MC-WPT)技术领域，具体公开了一种基于模态切换提升效率的MC-WPT系统及其效率提升方法，通过在原边侧的原边母线电容和高频逆变器之间设置原边双向切换开关，以及在副边侧的整流器和副边母线电容之间设置副边双向切换开关，从而在系统从满载逐渐降低到轻载期间，当降低到半载时，通过控制原边双向切换开关闭合且高频逆变器的MOS管S1、S3关断将高频逆变器切换至半桥开关逆变工作模式，以及控制副边双向切换开关闭合，将整流器切换至半桥倍压整流工作模式，以使得等效负载贴近最优负载点，从而避免因轻载系统充电效率降低，而将系统效率提高，且适应谐振回路无电容的拓扑，有效避免磁件饱和的情况产生。况产生。况产生。


技术研发人员：肖静 苏玉刚 周柯 胡宏晟 龚文兰 刘卓然 韩帅 吴晓锐 莫宇鸿 吴宁 陈绍南
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.07.11
技术公布日：2023/9/14