本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是涉及一种无线电能传输装置。
背景技术：
目前，大部分电气设备都是通过电缆从电网中获得电能，但这种物理连接方式存在“有线”的束缚，导致使用不便且受到应用场合限制。近年来，在无人驾驶、自动泊车、电动汽车等应用迅速发展的趋势下，无线电能传输(wirelesspowertransfer,wpt)技术得到了较多的关注。这项电力电子新技术具有使用便捷、环境适应度高的优点，可以克服传统的导体接触式电能传输带来的火花、磨损、噪音等缺陷。wpt技术根据传输机理可以分为电磁辐射式、电场耦合式、磁场耦合式等。电磁辐射式利用远场传输电能，效率较低，而电场耦合式和磁场耦合式则是利用近场实现电能传输，效率较高，其中电场对生物体危害较大，因此基于线圈的磁场耦合式无线电能传输是wpt技术的主流方案。
一种应用广泛的无线电能传输系统是在原副边均使用全桥电路，该拓扑结构完备且具备等效负载变换能力，通过对原副边驱动信号移相角的控制，实现恒压、恒流、恒功率等传输特性，并可通过改变副边等效到原边后的等效负载，实现对最优效率的追踪。在实际的无线电能传输系统中，充电装置对参数变化和系统故障的容错能力直接影响到装置的可靠性和保护系统的复杂度。由于用电设备放置位置的不确定性，线圈之间的互感是系统中最易出现偏差的参数。在系统设计时，通常采用线圈完全对准时的参数，使得在互感降低乃至用电设备完全移开后，仍能保障系统安全。而互感降低的极端情况，等同于原边线圈单独工作的工况。另一方面，副边短路的故障也是比较常见的严重故障之一，电池故障、变换器直通等都会造成这一情况。目前较好的方案是对谐振网络的原副边均采用lcc拓扑，其成本较高，体积较大。但是目前为止，得到的应用主要是面向大功率、高效率的电动汽车无线充电。
在上述方案下，工业界和学术界遇到的共同难点是原边和副边控制信号的同步问题。由于原边和副边是两套独立的控制系统，虽然数字信号处理器(digitalsignalprocessor,dsp)在高分辨率脉宽调制模式(highresolutionpulsewidthmodulator，hrpwm)下的频率精度比较高，可以达到0.002％的频率精度(tms320f28335)，但由于系统自身工作频率很高，100khz的控制信号会在原边和副边产生2hz的频率偏差，这将导致谐振电压间出现周期变化的相位差，输出电流和输出功率将出现周期振荡现象，这对于需要为用电设备提供稳定电源的wpt系统来说是不能接受的。目前主要是通过引入外部时钟或辅助设备等方法进行同步，成本较高且需要额外的信号调理电路，对硬件和控制算法的要求很高。
此外，为避免全桥电路同一桥臂的上、下功率开关直通，需要在驱动信号中加入死区时间，这可能会导致死区效应，增大开关损耗，影响电能质量和系统的稳定性。目前，解决死区问题的方法主要有三类：死区效应最小化控制、死区补偿控制和无死区控制，其成本均较高。
随着家庭智能终端、物联网的普及，较小功率的电气设备也对电能传输方式有了新的要求。对于小功率电气设备的应用场合，需要在原拓扑的基础上，在副边再增加dc-dc变换器，同时也需要提供同步方法的硬件与配套软件，以及解决死区问题的控制方法，从而增加系统的体积和成本，因此亟需对现有的系统拓扑和控制方法进行改进，使其更适用于家庭智能终端等设备的无线充电。
技术实现要素：
基于此，本发明的目的是提供一种无线电能传输装置，以实现对小功率电气设备无线充电。
为实现上述目的，本发明提供了一种无线电能传输装置，所述装置包括：直流稳压电源、半桥逆变电路、磁耦合谐振电路、单管有源整流器、负载装置、电流传感器、电压传感器和控制器；所述直流稳压电源依次通过所述半桥逆变电路、所述磁耦合谐振电路和所述单管有源整流器连接；所述控制器分别与所述电流传感器、所述电压传感器和所述单管有源整流器中的第三开关管的第二端连接；
所述单管有源整流器包括：第三开关管、二极管和第六电容；所述第三开关管的第一端分别与所述二极管的阳极和所述磁耦合谐振电路连接，所述二极管的阴极分别与所述第六电容的一端和所述负载装置的一端连接，所述第三开关管的第三端分别与所述磁耦合谐振电路、所述第六电容的另一端和所述负载装置的另一端连接；
所述电流传感器用于采集负载输出电流；所述电压传感器用于采集负载输出电压；所述控制器用于根据所述负载输出电流和所述负载输出电压控制所述第三开关管的工作状态。
可选地，所述控制器包括：
选择模块，用于选择电能传输模式；当所述电能传输模式为恒流传输模式时，则获取所述电流传感器采集的负载输出电流；当所述电能传输模式为恒压传输模式时，则获取所述电压传感器采集的负载输出电压；
第一判断模块，用于判断所述负载输出电流是否小于设定电流值；如果所述负载输出电流小于设定电流值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1-δd，其中，δd为占空比增量；如果所述负载输出电流大于或等于设定电流值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1 δd；
第二判断模块，用于判断所述负载输出电压是否小于设定电压值；如果所述负载输出电压小于设定电压值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1-δd；如果所述负载输出电压大于或等于设定电压值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1 δd；
执行模块，用于根据第t时刻的占空比控制所述第三开关管的工作状态。
可选地，所述半桥逆变电路包括：
第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管；所述直流稳压电源的正极与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述直流稳压电源的阴极连接，所述第一开关管的第一端和第一电容的一端连接，所述第一开关管的第三端与所述第二开关管的第一端连接，所述第二开关管的第三端与所述第二电容的另一端连接。
可选地，所述磁耦合谐振电路包括：
第一电感、第三电容、第四电容、变压器和第五电容；所述第一电感的一端与所述第一电容的另一端连接，所述第一电感的另一端分别与所述第三电容的一端和所述第四电容的一端连接，所述第三电容的另一端分别与所述第一开关管的第三端和所述变压器的第二端连接，所述第四电容的另一端与所述变压器的第一端连接，所述变压器的第三端与所述第五电容的一端连接，所述变压器的第四端与所述第三开关管的第三端连接，所述第五电容的另一端与所述第三开关管的第一端连接。
可选地，所述第一开关管、所述第二开关管和所述第三开关管均为mosfet，所述第一端为漏极，所述第二端为栅极，所述第三端为源极。
可选地，所述第一电容、所述第二电容和所述第六电容均为电解电容。
可选地，所述控制器为tms320f28335。
可选地，所述直流稳压电源的额定电压为220v。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一套适用于小功率电气设备充电场合的无线电能传输装置，不需要用到全桥逆变器以及隔离开关等额外电路即可实现全工况的软开关，能够为便携式电子设备无线充电，具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低等优点。另外，无线电能传输装置能够同时实现电能与信息的同时传输，无需安装额外的通讯模块，且系统的电压增益小，适用于高压转低压的应用，有较高效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例无线电能传输装置原理图；
图2为本发明实施例使用占空比控制的典型波形图；
图3为本发明实施例按照恒流或者恒压传输模式下的控制流程图；
图4为本发明实施例故障瞬间典型波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种无线电能传输装置，以实现对小功率电气设备无线充电。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开一种无线电能传输装置，所述装置包括：直流稳压电源vi、半桥逆变电路、磁耦合谐振电路、单管有源整流器、负载装置rl、电流传感器、电压传感器和控制器；所述直流稳压电源vi依次通过所述半桥逆变电路、所述磁耦合谐振电路和所述单管有源整流器连接；所述控制器分别与所述电流传感器、所述电压传感器和所述单管有源整流器中的第三开关管q3的第二端连接。所述电流传感器用于采集负载输出电流；所述电压传感器用于采集负载输出电压；所述控制器用于根据所述负载输出电流和所述负载输出电压控制所述第三开关管q3的工作状态。
所述单管有源整流器包括：第三开关管q3、二极管d1和第六电容c0；所述第三开关管q3的第一端分别与所述二极管d1的阳极和所述磁耦合谐振电路中第五电容cp2的另一端连接，所述二极管d1的阴极分别与所述第六电容c0的一端和所述负载装置rl的一端连接，所述第三开关管q3的第三端分别与所述磁耦合谐振电路中变压器的第四端、所述第六电容c0的另一端和所述负载装置rl的另一端连接。
作为一种实施方式，本发明所述半桥逆变电路包括：第一电容c1、第二电容c2、第一开关管q1和第二开关管q2；所述直流稳压电源vi的正极与所述第一电容c1的一端连接，所述第一电容c1的另一端与所述第二电容c2的一端连接，所述第二电容c2的另一端与所述直流稳压电源vi的阴极连接，所述第一开关管q1的第一端和第一电容c1的一端连接，所述第一开关管q1的第三端与所述第二开关管q2的第一端连接，所述第二开关管q2的第三端与所述第二电容c2的另一端连接。
作为一种实施方式，本发明所述磁耦合谐振电路包括：第一电感lf1、第三电容cf1、第四电容cp1、变压器和第五电容cp2；所述第一电感lf1的一端与所述第一电容c1的另一端连接，所述第一电感lf1的另一端分别与所述第三电容cf1的一端和所述第四电容cp1的一端连接，所述第三电容cf1的另一端分别与所述第一开关管q1的第三端和所述变压器的第二端连接，所述第四电容cp1的另一端与所述变压器的第一端连接，所述变压器的第三端与所述第五电容cp2的一端连接，所述变压器的第四端与所述第三开关管q3的第三端连接，所述第五电容cp2的另一端与所述第三开关管q3的第一端连接。
作为一种实施方式，本发明所述第一开关管q1、所述第二开关管q2和所述第三开关管q3均为mosfet，所述第一端为漏极，所述第二端为栅极，所述第三端为源极。
作为一种实施方式，本发明所述负载装置rl为恒定电阻式负载。
作为一种实施方式，本发明所述变压器有第二电感l1和第三电感l2组成，所述第二电感l1和所述第三电感l2之间通过线圈互感连接。
无线电能传输装置中各个器件的具体工作流程为：
直流稳压电源vi连接两个串联的容值较大的稳压电容，再连接半桥逆变电路生成频率大于谐振频率的方波信号，半桥逆变电路的控制信号采用等分占空比的驱动，第一开关管q1的驱动信号与第二开关管q2的驱动信号在时间上是互补的，逆变方波电压的正半周只有第二开关管q2开通，而第一开关管q1关断，此时原边的电流回路是第二电容c2–原边磁耦合谐振电路–第二开关管q2–第二电容c2。逆变方波电压的负半周只有第一开关管q1开通，而第二开关管q2关断，此时原边的电流回路是第一电容c1–原边磁耦合谐振电路-第一开关管q1–第一电容c1。半桥逆变后的输出电压有效值只有输入直流电压的一半，起到从高压向低压转换的作用。
单管有源整流器按照如下方式工作：副边磁耦合谐振电路连接第三开关管，所述第三开关管的驱动信号的频率远小于谐振频率，并且开关时刻是任意的，不需检测高频信号过零点。根据电流的方向和流通路径，划分得到四种工作模态：
模态一：第三开关管q3开通，电流正向流过第三开关管q3，副边存在两个电流回路，分别是副边磁耦合谐振电路-第三开关管q3-副边磁耦合谐振电路和第六电容c0–负载装置装置-第六电容c0，输出电流由第六电容c0提供，副边谐振电压是零电平状态。
模态二：第三开关管q3开通，电流反向通过第三开关管q3的反并联二极管续流，副边存在两个电流回路，分别是副边磁耦合谐振电路-第三开关管q3的反并联二极管-副边磁耦合谐振电路和第六电容c0–负载装置rl-第六电容c0，输出电流由稳压电容c0提供，副边谐振电压是零电平状态。
模态三：第三开关管q3关断，电流正向流过二极管d1，此时谐振电流给第六电容c0充电，输出电压上升，电流回路是副边磁耦合谐振电路-二极管d1-第六电容c0(负载装置rl)-副边磁耦合谐振电路，谐振电压基本等于输出电压。
模态四：第三开关管q3关断，电流反向通过第三开关管q3的反并联二极管续流，副边存在两个电流回路，分别是副边磁耦合谐振电路-第三开关管q3的反并联二极管-副边磁耦合谐振电路和第六电容c0–负载装置rl-第六电容c0，输出电流由第六电容c0提供，副边谐振电压是零电平状态。
占空比控制和相角控制有相似之处，可以认为占空比控制中，所述第三开关管q3开通的时间等效于将传统的移相角控制的领电平聚合在一起，即占空比的行程可看做相角在0°和90°周期性变化的结果。同样地，占空比也可进行负载变换，将实际负载对原边的影响进行可控变换，可达到恒压、恒流的输出特性控制，以及对最优效率的追踪。
本发明在基础电路上增加电压传感器、电流传感器和控制器，其工作原理如下：谐振电压保持不变，通过选择电能传输模式，并进行相应的电流或电压采样，通过副边占空比，即所述第三开关管q3开通的时间占周期的比例，控制获得期望的输出，当实际输出值小于期望值时，减小占空比，反之增大占空比，因此总结出控制占空比的具体流程如图3所示，同时将此控制流程转换成模块化，因此所述控制器包括：选择模块、第一判断模块、第二判断模块和执行模块；所述选择模块用于选择电能传输模式；当所述电能传输模式为恒流传输模式时，则获取所述电流传感器采集的负载输出电流；当所述电能传输模式为恒压传输模式时，则获取所述电压传感器采集的负载输出电压；所述第一判断模块用于判断所述负载输出电流是否小于设定电流值；如果所述负载输出电流小于设定电流值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1-δd，其中，δd为占空比增量；如果所述负载输出电流大于或等于设定电流值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1 δd；所述第二判断模块用于判断所述负载输出电压是否小于设定电压值；如果所述负载输出电压小于设定电压值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1-δd；如果所述负载输出电压大于或等于设定电压值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1 δd；所述执行模块用于根据第t时刻的占空比控制所述第三开关管q3的工作状态。所述执行模块用于根据第t时刻的占空比控制所述第三开关管q3的工作状态。所述控制器还包括第三判断模块，用于判断所述负载输出电流与给定电流的差值在允许的误差范围内或所述负载输出电压与给定电压的差值在允许的误差范围内时，stop标志位会被置1，调节过程结束。本实施例中占空比增量δd可根据实际需求进行选取，本实施例中选为0.01。
本发明提供的的占空比控制方式与传统占空比控制方式不同，传统的占空比控制方式对开关时刻要求高，需要动态地准确检测高频谐振电流的过零点时刻，其硬件成本和控制难度相对较大。由于本发明所述单管有源整流器的工作频率可以远小于半桥逆变电路，该所述第三开关管q3的开关损耗对效率影响很小，因此所述第三开关管q3的开通和关断时刻可以在任意时刻，不必选在谐振电流的过零点处。
在无线电能传输系统中，对参数变化和系统故障的容错能能力直接影响到装置的可靠性和保护系统的复杂度。所述无线电能传输系统在互感降低甚至原边独立工作的故障工况下，线圈电流将保持不变，而变换器输出电流随互感降低而减小。所述所述无线电能传输系统在负载短路的故障工况下，线圈电流将稍微减小，而整套系统仍然在可控的安全工况下工作，故障瞬间典型波形图如图4所示。
主要元器件的参数如下：
直流稳压电源：单相直流电压源，180v～264v，额定电压220v。
电解电容c1、c2、c0：100μf、100μf、100μf。
功率器件mosfetq1～q3：kia840s，8a/500v/0.9ω。
数字控制器dsp：tms320f28335。
二极管：1n4148。
谐振电感：lf1、l1、l2：75μh、86μh、86μh。
线圈互感：64μh。
补偿电容：cf1、cp1、cp2：47nf、80nf、10nf。
本发明采用半桥逆变电路与单管有源整流器实现无线电能传输系统的控制，有利于无线电能传输系统的小型化设计，同时降低了功率器件的开关损耗和导通损耗，有利于功率器件的选型和散热处理，且无需考虑原副边控制信号的同步问题、结构简单、设计新颖，具有明显的应用价值，在给出的主要元器件参数下，通过占空比的控制，可以实现输出电压0v到98v的连续控制。
本发明串联二极管d1实现反相阻断作用，因此所述单管有源整流器不存在输出电压直通的危险，第三开关管q3的驱动信号也不需要考虑死区时间，由于所述单管有源整流器的控制信号只有一个，硬件电路和控制算法实现均较为简单。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种无线电能传输装置，其特征在于，所述装置包括：直流稳压电源、半桥逆变电路、磁耦合谐振电路、单管有源整流器、负载装置、电流传感器、电压传感器和控制器；所述直流稳压电源依次通过所述半桥逆变电路、所述磁耦合谐振电路和所述单管有源整流器连接；所述控制器分别与所述电流传感器、所述电压传感器和所述单管有源整流器中的第三开关管的第二端连接；
所述单管有源整流器包括：第三开关管、二极管和第六电容；所述第三开关管的第一端分别与所述二极管的阳极和所述磁耦合谐振电路连接，所述二极管的阴极分别与所述第六电容的一端和所述负载装置的一端连接，所述第三开关管的第三端分别与所述磁耦合谐振电路、所述第六电容的另一端和所述负载装置的另一端连接；
所述电流传感器用于采集负载输出电流；所述电压传感器用于采集负载输出电压；所述控制器用于根据所述负载输出电流和所述负载输出电压控制所述第三开关管的工作状态。
2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述控制器包括：
选择模块，用于选择电能传输模式；当所述电能传输模式为恒流传输模式时，则获取所述电流传感器采集的负载输出电流；当所述电能传输模式为恒压传输模式时，则获取所述电压传感器采集的负载输出电压；
第一判断模块，用于判断所述负载输出电流是否小于设定电流值；如果所述负载输出电流小于设定电流值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1-δd，其中，δd为占空比增量；如果所述负载输出电流大于或等于设定电流值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1 δd；
第二判断模块，用于判断所述负载输出电压是否小于设定电压值；如果所述负载输出电压小于设定电压值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1-δd；如果所述负载输出电压大于或等于设定电压值，则第t时刻的占空比为dt＝dt-1 δd；
执行模块，用于根据第t时刻的占空比控制所述第三开关管的工作状态。
3.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述半桥逆变电路包括：
第一电容、第二电容、第一开关管和第二开关管；所述直流稳压电源的正极与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第二电容的一端连接，所述第二电容的另一端与所述直流稳压电源的阴极连接，所述第一开关管的第一端和第一电容的一端连接，所述第一开关管的第三端与所述第二开关管的第一端连接，所述第二开关管的第三端与所述第二电容的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述磁耦合谐振电路包括：
第一电感、第三电容、第四电容、变压器和第五电容；所述第一电感的一端与所述第一电容的另一端连接，所述第一电感的另一端分别与所述第三电容的一端和所述第四电容的一端连接，所述第三电容的另一端分别与所述第一开关管的第三端和所述变压器的第二端连接，所述第四电容的另一端与所述变压器的第一端连接，所述变压器的第三端与所述第五电容的一端连接，所述变压器的第四端与所述第三开关管的第三端连接，所述第五电容的另一端与所述第三开关管的第一端连接。
5.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管和所述第三开关管均为mosfet，所述第一端为漏极，所述第二端为栅极，所述第三端为源极。
6.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述第一电容、所述第二电容和所述第六电容均为电解电容。
7.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述控制器为tms320f28335。
8.根据权利要求3所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述直流稳压电源的额定电压为220v。
技术总结