[发明专利]基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明属于电气工程领域的无线电能传输技术，具体涉及磁场耦合型无线电能传输装置(Magnet ic-field coupled power transmiss ion)，是一种利用非线性电感材料的饱和特性来改进传统无线电能传输系统的新型拓扑结构，实现无源稳压、稳流及提高系统传输距离和传输稳定性的方法。

背景技术

近年来，无线电能传输技术取得飞速发展。其中，磁场耦合无线电能传输技术以其传输功率大、效率高、安全性好等优势，有望在电动汽车、工业机器人、手机充电等领域得到广泛的商业应用。

近距离(毫米级)的无线电能传输技术已经有几十年的发展历史，在电动牙刷等需要防水充电的领域得到应用。这种无线电能传输技术的基本物理学原理是法拉第电磁感应定律，其主要缺点是无线电力传输距离非常短，通常只有几个豪米，无法满足现在的社会需求。

拓扑结构是无线电能传输系统的重要组成部分。近年来，为了提高无线输电传输的性能，研究者尝试引入了各种补偿拓扑结构，以克服无线电能传输系统的低耦合系数、高漏感特性，从而增加无线电能传输系统的传输距离，并提升传输效率。以电动汽车无线电能传输为例，汽车底盘距离底面的距离一般是15cm。为了满足电动汽车无线电能传输的应用要求，需要使用基于电感和电容的谐振拓扑结构来加强空间磁感应强度，并且改善高频逆变器的负载阻抗特性。其中，最基本的是由电感L与电容C构成的简单串联或并联谐振及其各种组合。

然而，基本的拓扑结构在性能上存在各种各样的缺点。研究者们提出了更多的改进拓扑：例如LCC拓扑结构、LLC拓扑结构等等。最新的科技文献甚至把各种可能的组合进行了系统分析，以获得恒流输出、恒压输出等期望的性能，并将其应用于电动汽车的无线电能传输。这些研究既有高水平学术论文的理论分析，也有实际应用的工程方法。例如：发表于本领域顶级期刊的文章《Compensat ion Topologies of High-Power Wireless Power Transfer Systems》(IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY,VOL.65,NO.6,JUNE 2016)(《高功率无线电能传输系统的拓扑研究》)，以及中国发明专利文献(公开号CN 103560593 A)所公开的《基于新型拓扑的电场耦合型无线电能传输系统及控制方法》等。因此，新型拓扑结构的改进对于无线电能传输系统的性能提升和商业应用具有重要作用。

虽然全世界的研究人员均致力于改进和发明新型拓扑结构，但是其思路一直局限于线性电感和线性电容，以及它们之间的线性组合。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用磁性材料的非线性特征的新型拓扑结构，从而改善传统线性拓扑的性能局限，提高无线电能传输系统的性能。

本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种基于非线性拓扑结构的无线电能传输系统，包括原边侧和副边侧，所述原边侧包括顺序电连接的原边侧交流电源、原边侧整流滤波单元、原边侧DC/DC单元、原边侧高频逆变器、原边侧线性拓扑结构和原边侧发射线圈；所述副边侧包括顺序电连接的副边侧接收线圈、副边侧非线性拓扑结构、副边侧整流滤波单元、副边侧DC/DC单元和负载；所述的副边侧接收线圈通过互感M接收原边侧发射线圈所发射的电磁场，并将其转化为电能；

所述副边侧非线性拓扑结构中包含至少一个工作于非线性区的非线性电感L₂；所述非线性区是指非线性电感L₂的磁芯交替工作于BH特性曲线的线性区和饱和区，且最大的磁性工作点位于Br-Bm之间，其中，Br为剩余磁通密度，Bm为最大磁通密度。

优选地，所述的副边侧非线性拓扑结构采用了如下电路结构：包括一个高频电容C₂和一个非线性电感L₂，高频电容C₂和非线性电感L₂并联，并与副边侧接收线圈的和副边侧整流滤波单元并联连接。

优选地，所述的副边侧非线性拓扑结构采用了如下电路结构：包括一个高频电容C₂和一个非线性电感L₂，高频电容C₂和非线性电感L₂串联后与副边侧接收线圈串联连接，非线性电感L₂与整流滤波单元并联连接。