一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线电能传输系统及其设计方法，特别是一种特定谐波消除无线 电能传输系统及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 传统有线电能传输技术通过导体之间相连的形式传送电能，但随着科学技术的不 断进步，人们对用电设备安全性，可靠性等的要求越来越高，传统的接触式供电弊端越来越 明显，如容易产生磨损、插电火花、不易维护等。因此，基于感应耦合原理的无线电能传输技 术应运产生。目前无线电能传输系统将原边发射端接于高频逆变器之后，通过高频逆变器 产生方波交流电，由傅里叶级数展开式可知，高频逆变器输出之后的方波交流电中含有大 量的三、五、七次等奇数次谐波，大量的谐波容易导致无线电能传输系统中的磁路机构饱和 发热、系统整体损耗大，寿命缩短，过载能力和效率降低，严重时会使得系统设备损坏，无法 正常工作。
[0003] 为解决谐波对系统功率传输带来的影响，目前采用的方法多是在高频逆变器之后 加入谐振补偿环节，即设计一种无源滤波器吸收高次谐波，从而满足基波的可靠传输，采用 该方法对于一般无线电能传输系统取得了良好的效果，然而由于没有从根本上消除高频逆 变器产生方波电压中的高频谐波分量，特别是三次谐波分量，使得无线电能传输系统在负 载或者系统结构变化下的系统频率稳定性较差，滤波效果一般。例如，文献《一种采用级联 型多电平技术的IPT系统谐波消除与功率调节方法》利用阶梯波移相叠加合成方法消除输 出电压的特定次谐波，但其所需控制算法复杂;文献《感应式电能传输系统电磁机构带通滤 波特性建模分析》通过对感应式电能传输系统电磁机构进行建模分析，提出一种设计带通 滤波器参数的方法，该方法虽然可以提高系统滤波特性，但是无法做到谐波的完全消除。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是要提供一种特定谐波消除无线电能传输系统及其设计方法，解决 传统无线电能传输系统采用谐振补偿环节构成基波通道，以滤除三次及以上高次谐波含 量，但在负载或者系统结构变化下的系统频率稳定性较差的问题。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：该系统包括直流电源、高频逆变器、原边能量变换发 射环节、副边能量接收变换环节、原边谐波能量反向注入环节和负载;直流电源与高频逆变 器连接，高频逆变器与并联输入端的原边能量变换发射环节和原边谐波能量反向注入环节 连接;原边能量变换发射环节通过紧耦合变压器与原边谐波能量反向注入环节连接;原边 能量变换发射环节通过原边磁能发射机构及副边磁能拾取机构与副边能量接收变换环节 形成电能无线传输通道，实现电能的无线传输。
[0006] 原边能量变换发射环节与原边谐波能量反向注入环节分别构成基波通道和三次 谐波提取通道反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向注入环节提取的三次谐波信号 经过补偿阻抗调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原边能量变换发射环节中，传至原 边能量变换发射环节的三次谐波信号与直流电源通过高频逆变器产生的高频交流信号进 行叠加作用，实现了基波通道三次谐波的完全滤除；经过叠加之后的信号经过原边谐振补 偿电容传至原边磁能发射机构，副边磁能拾取机构基于电磁感应原理拾取原边磁能发射机 构上的能量，经过副边谐振补偿电容和整流滤波电路为负载供电。
[0007] 所述的高频逆变器为四个场效应管构成全桥逆变结构。
[0008] 所述的原边能量变换发射环节包括原边谐振补偿电容、紧耦合变压器原边端和原 边磁能发射机构;原边谐振补偿电容、原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联。
[0009] 所述的副边能量接收变换环节包括副边磁能拾取机构、副边谐振补偿电容和整流 滤波电路;副边磁能拾取机构与副边谐振补偿电容串联，然后与整流滤波电路输入端连接； 整流滤波电路的输出端并联有电容C 1;并且原边能量变换发射环节和副边能量接收变换环 节的固有谐振频率均为高频逆变器的开关频率，从而构成基波通道，用于传输电能。
[0010] 所述的原边谐波能量反向注入环节包括选频网络、紧耦合变压器选频端、补偿阻 抗;紧耦合变压器选频端与补偿阻抗串联，然后整体并连于选频网络，从而构成三次谐波提 取通道，用于传输电能;选频网络为选频电容Co和选频电感Lo构成的LC选频网络;原边谐波 能量反向注入环节与原边能量变换发射环节反并联于高频逆变器之后，原边谐波能量反向 注入环节提取的三次谐波能量经过补偿阻抗调整相位后通过紧耦合变压器反向注入到原 边能量变换发射环节中，传至原边能量变换发射环节的三次谐波信号与直流电源通过高频 逆变器产生的高频交流信号进行叠加作用，实现基波通道的三次谐波的完全滤除。
[0011] 紧耦合变压器原边端与紧耦合变压器选频端绕制于同一"回"型锰锌铁氧体磁芯 组成紧耦合变压器。
[0012] 无线电能传输系统的设计方法，具体步骤如下：
[0013] 1)副边磁能拾取机构电感值Ls计算表达式为
[0015] Req是从整流滤波电路输入端看进去的等效电阻，其阻值为
(2)
[0017]副边谐振补偿电容与副边磁能拾取机构串联谐振在高频逆变器的工作频率下，所 以，副边谐振补偿电容值匕计算表达式为
[0019] 其中，co是高频逆变器的工作角频率，Q是副边谐振补偿品质因数，RL是负载电阻 值；
[0020] 2)根据系统设计需求，设原边磁能发射机构的电感值LP为一固定值，原边谐振补 偿电容与原边磁能发射机构及紧耦合变压器原边端串联谐振于高频逆变器的工作频率下， 则原边谐振补偿电容的电容值心计算表达式为
[0022]其中Lo是紧耦合变压器原边端的电感值。
[0023] 3)根据选频网络特性，设紧耦合变压器选频端电感值为L1;，则选频网络中的选频 电感1^的电感值计算表达式为
[0024] L2 = Li(5)
[0025] 同时，选频网络中选频电容Co的电容值的计算表达式为
[0027] 4)根据选频网络特性，Rl是负载阻值，Mi是原边磁能发射机构与副边磁能拾取机构 的互感值，M2紧耦合变压器两端的互感值，则补偿阻抗的阻抗值Zw计算表达式为
[0029] 有益效果，由于采用了上述方案，相比于传统含有谐波滤除装置的无线电能传输 系统，高频交流电信号先经过选频网络得到三次谐波信号，再经紧耦合变压器将反向三次 谐波信号传至基波通道抵消基波通道内的三次谐波信号，使得该系统输入到基波通道的交 流电源中消除了三次谐波含量，从而使得对谐振网络的设计更加简单，并有效减少了由于 负载或系统结构改变引起的系统频率稳定性及波形畸变影响。解决了传统无线电能传输系 统采用谐振补偿环节构成基波通道，以滤除三次及以上高次谐波含量，但在负载或者系统 结构变化下的系统频率稳定性较差的问题，达到了本发明的目的。
[0030] 优点:切实提高了无线电能传输系统的频率稳定性，减小系统中的谐波含量。
【附图说明】：
[0031] 图1是本发明的结构示意图。
[0032] 图2是本发明的原边磁能发射机构电流波形和选频网络电流波形图 [0033]图3是本发明的基波通道输入电压图。
[0034]图4是本发明的未加添三次谐波提取通道的无线电能传输系统原边电压FFT分析 图。
[0035]图