本發(fā)明屬于電力電子變換領(lǐng)域，涉及一種寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來無人水下航行器在信息搜集、海洋測(cè)量等方面快速發(fā)展，大部分任務(wù)需要持續(xù)在特定海域長(zhǎng)時(shí)間巡航，無人裝備續(xù)航力成為其執(zhí)行任務(wù)的短板，無線電能傳輸技術(shù)采用非接觸的方式，將電能轉(zhuǎn)換成電磁波等中繼媒介通過空間海水介質(zhì)傳輸，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，能夠從根本上解決海洋特殊惡劣環(huán)境下的安全、可靠、靈活、便捷、隱蔽的電能傳輸和互聯(lián)問題，是破解海洋無人裝備及其集群能源問題的重要手段，而各種同構(gòu)、異構(gòu)無人水下航行器呈現(xiàn)功率不一、負(fù)載特性各異的特點(diǎn)，且動(dòng)力電池輸出電壓范圍寬。

2、現(xiàn)有的大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，存在單模塊功率等級(jí)低、難以適應(yīng)無人裝備動(dòng)力電池恒流-恒壓充電策略所需的寬輸出電壓要求，同時(shí)由于無人裝備集群常包括大中小各型裝備平臺(tái)，輸出功率等級(jí)為十千瓦至百千瓦級(jí)，僅通過控制方法，難以實(shí)現(xiàn)寬范圍功率輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，有必要提供一種寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)的輸出電壓以及輸出功率難以滿足實(shí)際需求的問題。

2、為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，包括：

3、若干個(gè)并聯(lián)的模塊，并聯(lián)后的輸入端與直流電源電連接，并聯(lián)后的輸出端與負(fù)載電連接；

4、其中，所述模塊包括：整流器以及由開關(guān)管構(gòu)成h型電路結(jié)構(gòu)的逆變器；

5、逆變器的輸入端與直流電源電連接，輸出端與諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的一端電連接；

6、整流器的輸入端與諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的另一端電連接，輸出端通過整流電容與負(fù)載電連接；

7、pwm驅(qū)動(dòng)裝置，與開關(guān)管的柵極電連接，用于控制逆變器的工作模式以及逆變器接入系統(tǒng)的數(shù)量，以輸出滿足不同要求的功率和電壓。

8、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述逆變器包括：

9、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第四開關(guān)管；

10、第一開關(guān)管的漏極與第三開關(guān)管的漏極電連接；

11、第二開關(guān)管的源極與第四開關(guān)管的源極電連接；

12、第一開關(guān)管的源極與第二開關(guān)管的漏極電連接，且接線中引出一端作為逆變器的第一輸出端；

13、第三開關(guān)管的源極與第四開關(guān)管的漏極電連接，且接線中引出一端作為逆變器的第二輸出端；

14、直流電源的一端分別與第一開關(guān)管的漏極以及第二開關(guān)管的源極電連接，另一端分別與第三開關(guān)管的漏極以及第四開關(guān)管的源極電連接。

15、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括：原邊諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及副邊諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；

16、其中，所述副邊諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與原邊諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一致且結(jié)構(gòu)對(duì)稱；

17、所述原邊諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括：第一補(bǔ)償電感、第一補(bǔ)償電容、第二補(bǔ)償電感、第二補(bǔ)償電容、第三補(bǔ)償電容以及耦合機(jī)構(gòu)；

18、其中，第一補(bǔ)償電感的一端與逆變器的第一輸出端電連接，另一端分別與第三補(bǔ)償電容以及第一補(bǔ)償電容電連接，且所述第一補(bǔ)償電容與第一補(bǔ)償電感并聯(lián)；

19、第二補(bǔ)償電感的一端與逆變器的第二輸出端電連接，另一端與第二補(bǔ)償電容的一端電連接；

20、第二補(bǔ)償電容的另一端與耦合機(jī)構(gòu)的原邊線圈的一端電連接；

21、第三補(bǔ)償電容與耦合機(jī)構(gòu)原邊線圈并聯(lián)。

22、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)滿足以下要求：

23、當(dāng)直流電源的輸入信號(hào)的頻率為基波頻率或3倍頻率或5倍頻率時(shí)，原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗以及副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗為純電阻；

24、當(dāng)直流電源的輸入信號(hào)的頻率為2倍頻率時(shí)，第一補(bǔ)償電感與第一補(bǔ)償電容諧振，以使能量在lc諧振回路中閉鎖流動(dòng)。

25、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述整流器包括：

26、第一二極管、第二二極管、第三二極管以及第四二極管；

27、其中，所述負(fù)載分別與由所述整流電容、第一二極管和第三二極管組成的第一串聯(lián)支路以及由第二二極管和第四二極管組成的第二串聯(lián)支路并聯(lián)。

28、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，相鄰的不同模塊之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差，其中， m表示所述系統(tǒng)內(nèi)包括的所述模塊的總數(shù)量。

29、本發(fā)明還提供一種寬范圍大功率無線電能傳輸控制方法，應(yīng)用于上述各系統(tǒng)項(xiàng)中任意一項(xiàng)所述的寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，包括：

30、基于預(yù)設(shè)閾值判斷輸出功率的波動(dòng)幅度屬于大范圍的輸出功率波動(dòng)或小范圍的輸出功率波動(dòng)；

31、當(dāng)出現(xiàn)大范圍的輸出功率波動(dòng)時(shí)，向所述pwm驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送第一控制信號(hào)，以接入并切除所述寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)中的若干個(gè)寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，以控制整負(fù)載的輸出功率；

32、當(dāng)出現(xiàn)小范圍的輸出功率波動(dòng)時(shí)，向所述pwm驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送第二控制信號(hào)，以切換系統(tǒng)的工作模式，從而控制系統(tǒng)的輸出電壓。

33、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述接入并切除所述寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)中的若干個(gè)寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，包括：

34、基于負(fù)載的輸出功率以及所述寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)的額定輸出功率計(jì)算接入和切除的模塊數(shù)量。

35、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述基于負(fù)載的輸出功率以及所述寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)的額定輸出功率計(jì)算接入和切除的模塊數(shù)量，包括：

36、當(dāng)負(fù)載的輸出功率滿足第一公式時(shí)：

37、

38、式中， n為不小于0的整數(shù)， p0表示模塊的額定輸出功率， pl表示負(fù)載的輸出功率；

39、則接入 n個(gè)模塊，并切除（ m-n）個(gè)模塊，其中， m表示系統(tǒng)內(nèi)模塊的總數(shù)量；

40、當(dāng)負(fù)載輸出功率滿足第二公式時(shí)：

41、，

42、式中， n為不小于0的整數(shù)， p0表示模塊的額定輸出功率， pl表示負(fù)載的輸出功率；

43、接入（ n+1）個(gè)模塊，并切除（ m-n-1）個(gè)模塊。

44、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述切換所述系統(tǒng)的工作模式，包括：

45、基于預(yù)設(shè)的增益閾值判斷當(dāng)前所述負(fù)載的功率增益為高增益或高中增益或中增益或低增益或極地增益；

46、為高增益時(shí)，基于全橋變頻控制方法控制系統(tǒng)的輸出功率；

47、為高中增益時(shí)，基于pfm或移相psm方法控制系統(tǒng)的輸出功率；

48、為中增益時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)的通路結(jié)構(gòu)切換為半橋pfm拓?fù)洌?/p>

49、為低增益時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)的通路結(jié)構(gòu)切換為半橋pwm拓?fù)洌?/p>

50、為極低增益時(shí)，將系統(tǒng)內(nèi)的通路結(jié)構(gòu)切換為半橋burst拓?fù)洹?/p>

51、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了寬范圍大功率無線電能傳輸系統(tǒng)，包括若干個(gè)并聯(lián)的模塊，且每個(gè)模塊都包括逆變器、整流器諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流電容以及pwm驅(qū)動(dòng)裝置，由于每個(gè)模塊輸出的額定功率在相同條件下是相對(duì)穩(wěn)定的，因而本發(fā)明通過pwm驅(qū)動(dòng)裝置改變系統(tǒng)內(nèi)接入的模塊數(shù)量，可以有效地改變系統(tǒng)的總輸出功率，實(shí)現(xiàn)寬范圍的功率輸出，滿足負(fù)載對(duì)不同功率的要求，并且，本發(fā)明還通過pwm驅(qū)動(dòng)裝置改變輸入信號(hào)的參數(shù)或逆變器的內(nèi)部拓?fù)?，從而改變系統(tǒng)的工作模式，擴(kuò)大了系統(tǒng)的輸出電壓范圍，有效地解決了現(xiàn)有技術(shù)的輸出電壓以及輸出功率難以滿足實(shí)際需求的技術(shù)問題。