CN102969801B

CN102969801B - 电流型无线供电系统负载识别方法

Info

Publication number: CN102969801B
Application number: CN201210430540.4A
Authority: CN
Inventors: 王智慧; 孙跃; 苏玉刚; 唐春森; 戴欣
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing Aipute Electric Co ltd
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN102969801A

Abstract

本发明公开一种电流型无线供电系统负载识别方法，其步骤包括：搭建电路系统、确定电路系统参数、测量直流电源电流值、确定负载电路负载值，电路系统包括直流输入模块、高频逆变电路、原边谐振网络、副边谐振网络以及负载电路，直流输入模块由直流电源和直流电感组成，原边谐振网络为并联谐振回路、副边谐振网络为串联谐振回路；电路系统参数包括E_dc、R_dc、L_dc、L_p、R_p、M以及ω。其显著效果是：设计成本低，检测误差小，电路简单，实施方便，通过测量直流电源电流值I_dc即可确定负载电路的负载值R_L，为原边谐振电流恒流控制，输出负载电压恒压控制以及工作频率稳频控制提供了有效帮助。

Description

电流型无线供电系统负载识别方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体地说，是一种电流型无线供电系统负载识别方法。

背景技术

随着社会经济的发展和科学技术的进步，人们对于便携，安全，高效，环保等概念的要求越来越高。所谓无线电能传输技术(WirelessPower Transmission Technique)是指综合利用现代电力电子能量变换技术、电路理论、微电子技术和现代控制等技术，实现电能从电源（电网或电池）通过软介质（如电场、磁场、微波、激光等）以非电气接触模式传递给用电设备，或用电设备通过软介质将能量回馈电源。是利用某种特殊设备将电源的电能转变为无线的方式进行传播，从而在没有电缆连接情况下实现电能传输。

感应耦合电能传输技术（Inductively Coupled PowerTransfer），简称ICPT技术,是一种常见的无线电能传输技术，它通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量。

如图1所示，现有的ICPT系统一般由初级电路和拾取电路组成，初级电路设置有整流滤波电路、DC/DC变换电路以及高频逆变电路，工频电源经过整流滤波电路后转换为直流输出，经过DC/DC电路进行电压变换，然后由高频逆变电路转换为高频交流电，高频逆变电路输出的高频交流通过导轨线圈向外发射电能，拾取电路中设置有拾取机构，利用空间磁场耦合拾取导轨线圈发射的能量，拾取机构输出的能量经过功率调节器进行调整，最后向用电设备提供能量。

根据初级电路中输入电源方式不同，现有的ICPT系统又分为电流型ICPT系统和电流型ICPT系统，所谓电流型ICPT系统是指电源的输入端由直流电源E_dc和直流电感L_dc构成，其输入近似于一个电流源。

如图2所示，常见的电流型ICPT系统电路模型，电阻R_dc为直流电源的等效内阻，开关元件S₁、S₂、S₃和S₄组成桥式高频逆变电路，电阻R_p为发射线圈等效电阻，电阻R_s为拾取线圈的等效电阻，电阻R_L为负载电路的等效负载。

实际上，作为一种供电系统，其负载往往具有很大的随机性，对于电流型ICPT系统来说，负载的变化可能导致系统的功率传输能力、功率传输效率以及输出品质等性能下降。因此，必须动态识别负载的变化情况，使电流型ICPT系统争对不同的负载进入相应的最佳功率传输阶段。同时，借助于负载识别，原边谐振电流恒流控制，输出负载电压恒压控制以及工作频率稳频控制均可容易实现。

而ICPT系统的特点是负载通过空气隔离的方式从原边获得能量，由于原、副边没有任何的电气连接，所以难以将副边的负载信息精确、快速的反馈到原边。

现有技术中主要采用两种方式来实现负载识别：一是采用无线通信技术，需要利用无线通信模块，成本较高，而且高频磁场的干扰降低了无线通信的可靠性；二是基于反射阻抗的辨识方法，通过采样谐振电流、谐振电压和谐振频率来辨识负载大小，但由于检测的变量较多，硬件电路的设计比较复杂，而且任何一个量的测量误差将导致最终辨识结果的不精确。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种电流型无线供电系统负载识别方法，在不使用无线通信模块的基础上，只测量一种参数即可实现负载大小的判别。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电流型无线供电系统负载识别方法，按照以下步骤进行：

步骤1：搭建电路系统，所述电路系统包括直流输入模块、高频逆变电路、原边谐振网络、副边谐振网络以及负载电路，所述直流输入模块由直流电源和直流电感组成，所述高频逆变电路为全桥逆变电路，所述原边谐振网络为发射线圈和原边补偿电容组成的并联谐振回路、所述副边谐振网络为拾取线圈和副边补偿电容组成的串联谐振回路；

步骤2：确定电路系统参数，所述电路系统参数包括直流电源电压值E_dc、直流电源内阻值R_dc、直流电感电感值L_dc、发射线圈电感值L_p、发射线圈等效电阻值R_p、互感系数M以及谐振角频率ω，所述谐振角频率ω与原边谐振网络的谐振角频率和副边谐振网络的谐振角频率均相等；

步骤3：测量直流电源电流值I_dc；

步骤4：根据

R_{L} = \frac{M^{2} I_{p}^{2} ω^{2}}{E_{dc} I_{dc} - I_{dc}^{2} R_{dc} - I_{p}^{2} R_{p}}

确定负载电路的负载值R_L，其中

I_{p} = \frac{π E_{dc}}{2 \sqrt{2} (ω L_{p} + R_{p})} .

根据上述步骤可以看出，当系统的电路模型和电路参数确定后，只需检测直流电源电流值I_dc即可计算出负载电路的负载大小R_L，电路结构简单，检测参数单一，准确性高，系统可以根据直流电源电流值实时跟踪负载电路的变化情况，为原边谐振电流恒流控制，输出负载电压恒压控制以及工作频率稳频控制提供了有效帮助。

作为进步描述，在高频逆变电路与直流输入模块之间的回路上连接有电流采集电路，该电流采集电路的输出端与微处理器连接，利用微处理器计算负载电路的负载值R_L。

电流采集电路通常设置有采样电阻，微处理器利用自带的AD采样功能即可在采样电阻上采集相应的电压值，根据采样电压与采样电阻的关系即可计算直流电源电流值I_dc，然后利用步骤4中所给的算法即可推算负载电阻的大小。

直流输入模块可以直接采用稳压直流电源，也可以利用工频交流电源，在利用工频交流电源时，所述直流输入模块设置有整流滤波电路和DC/DC变换电路，在整流滤波电路的输入端连接工频交流电源。

本发明的显著效果是：不使用无线通信模块，设计成本低，只测量一个参数，检测误差小，精度高，电路设计简单，实施方便，系统根据实时检测直流电源电流值来判断负载电路的变化情况，为原边谐振电流恒流控制，输出负载电压恒压控制以及工作频率稳频控制提供了有效帮助。

附图说明

图1是现有ICPT系统的电路原理框图；

图2是电流型ICPT系统的电路原理图；

图3是本发明的电路原理框图；

图4是本发明的等效电路图；

图5是负载值R_L和直流电源电流值I_dc之间的线性关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

步骤1：搭建电路系统，如图3所示，所述电路系统包括直流输入模块1、高频逆变电路2、原边谐振网络3、副边谐振网络4以及负载电路5，在高频逆变电路2与直流输入模块1之间的回路上连接有电流采集电路6，该电流采集电路6的输出端与微处理器7连接。

结合图2所示的电流型ICPT系统，所述直流输入模块1由直流电源和直流电感组成，所述高频逆变电路2为开关元件S₁、S₂、S₃、S₄组成的全桥逆变电路，所述原边谐振网络3为发射线圈和原边补偿电容组成的并联谐振回路、所述副边谐振网络4为拾取线圈和副边补偿电容组成的串联谐振回路。

步骤2：确定电路系统参数，所述电路系统参数包括直流电源电压值E_dc、直流电源内阻值R_dc、直流电感电感值L_dc、发射线圈电感值L_p、发射线圈等效电阻值R_p、互感系数M以及谐振角频率ω，所述谐振角频率ω与原边谐振网络3的谐振角频率和副边谐振网络4的谐振角频率均相等。

步骤3：利用电流采集电路6和微处理器7测量直流电源电流值I_dc。

步骤4：微处理器7根据

R_{L} = \frac{M^{2} I_{p}^{2} ω^{2}}{E_{dc} I_{dc} - I_{dc}^{2} R_{dc} - I_{p}^{2} R_{p}}

确定负载电路5的负载值R_L，其中

I_{p} = \frac{π E_{dc}}{2 \sqrt{2} (ω L_{p} + R_{p})} .

直流输入模块1中的直流电源可以直接采用稳压直流电源提供，而工程应用中通常利用工频交流输入，因此在直流输入模块1中设置有整流滤波电路和DC/DC变换电路，在整流滤波电路的输入端连接工频交流电源。

下面我们对本发明的工作原理进行说明：

电流型ICPT系统工作过程中，负载的信息会反映到原边的阻抗上，因此可直接在原边检测来判断负载信息。

如图4所示的电路等效模型，副边在原边将产生一定的阻抗Z_r，系统的反射阻抗由有功部分R_r和无功部分L_r组成，其中有功部分上消耗功率即为副边在原边部分中产生的耗散功率，而其无功部分不产生能量耗散。

假设系统的输入功率为S(E_dc,I_dc)＝E_dcI_dc，系统的输出功率为系统的损耗功率为

P_{loss} (I, R) = I_{p}^{2} R_{p} + I_{dc}^{2} R_{dc},

其中

I_{p} = \frac{π E_{dc}}{2 \sqrt{2} (ω L_{p} + R_{p})};

由能量守恒关系得：S(E_dc,I_dc)＝P_o(I_p,R_r)+P_loss(I,R)，因此，又已知负载和反射阻抗有功部分R_r的关系为即可得到负载电路的负载值R_L与输入直流电源电流值I_dc的关系为：

R_{L} = \frac{M^{2} I_{p}^{2} ω^{2}}{E_{dc} I_{dc} - I_{dc}^{2} R_{dc} - I_{p}^{2} R_{p}} .

由上式可知，系统E_dc、L_p、R_p、R_dc、ω、M已知，则I_p可知，若测量I_dc，则可知道R_L的值。

随机选取参数E_dc=310V，L_p=155μH，R_dc=0.5Ω，R_p=0.2Ω，ω=125600rad/s，M＝45μH，可得到负载R_L与主回路直流电源电流值I_dc的关系如图5所示。

由图5可知，负载电路的负载值R_L和直流电源电流值I_dc呈现递减的关系，负载越大，回路电流越小。因此，通过检测高频逆变电路中的回路电流的大小，根据电流和负载的关系式，即可判断此时的负载大小，为原边谐振电流恒流控制，输出负载电压恒压控制以及工作频率稳频控制提供了有效帮助。

Claims

1.一种电流型无线供电系统负载识别方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：搭建电路系统，所述电路系统包括直流输入模块(1)、高频逆变电路(2)、原边谐振网络(3)、副边谐振网络(4)以及负载电路(5)，所述直流输入模块(1)由直流电源和直流电感组成，所述高频逆变电路(2)为全桥逆变电路，所述原边谐振网络(3)为发射线圈和原边补偿电容组成的并联谐振回路、所述副边谐振网络(4)为拾取线圈和副边补偿电容组成的串联谐振回路；

步骤2：确定电路系统参数，所述电路系统参数包括直流电源电压值E_dc、直流电源内阻值R_dc、直流电感电感值L_dc、发射线圈电感值L_p、发射线圈等效电阻值R_p、互感系数M以及谐振频率ω，所述谐振频率ω与原边谐振网络(3)的谐振频率和副边谐振网络(4)的谐振频率均相等；

步骤3：测量直流电源电流值I_dc；

步骤4：根据确定负载电路(5)的负载值R_L，其中

I_{p} = \frac{{πE}_{dc}}{2 \sqrt{2} ({ωL}_{p} + R_{p})} .

2.根据权利要求1所述的电流型无线供电系统负载识别方法，其特征在于：在高频逆变电路(2)与直流输入模块(1)之间的回路上连接有电流采集电路(6)，该电流采集电路(6)的输出端与微控制器(7)连接，利用微控制器(7)计算负载电路(5)的负载值R_L。

3.根据权利要求1所述的电流型无线供电系统负载识别方法，其特征在于：所述直流输入模块(1)设置有整流滤波电路和DC/DC变换电路，在整流滤波电路的输入端连接工频交流电源。