CN103607056B - 磁感应式无线电能传输设备中的补偿装置及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

磁感应式无线电能传输设备中的补偿装置及其补偿方法，其中接收补偿装置的主要结构是：多个接收补偿电容并联组成接收电容补偿阵列，且接收电容补偿阵列中的每一个接收补偿电容都分别与对应的接收电子开关串联；接收电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中接收端的接收线圈与负荷之间；所述的接收端的接收线圈上安装有接收电流传感器，接收端的负荷两端安装接收电压传感器；接收电容补偿阵列中的每一个接收电子开关的控制端、接收电流传感器的输出端和接收电压传感器的输出端均与接收补偿控制器相连。它能使磁感应式无线电能传输设备保持在额定频率下谐振，提高传输设备的有功功率，进而提高其传输功率和传输效率。

Description

磁感应式无线电能传输设备中的补偿装置及其补偿方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术，尤其属于无线电能传输设备中的补偿装置及其补偿方法。

背景技术

无线传能的发展保持迅猛的势头，从广泛应用的小功率（医学、消费电子）的电能传输，逐渐向大功率（电动汽车无线充电桩、轨道交通无线供电系统）的电能传输发展。其中，磁感应式无线电能传输装置包括发送端和接收端两部分：发送端通过整流器将工频电变成直流，再控制器的控制下由高频逆变器将直流变成高频交流电，高频交流电流在发送线圈中流动产生高频磁场；接收端的接收线圈感应到发送线圈产生的高频磁场，在接收线圈中感生出高频交流电，接收线圈中的高频交流电向负荷（包括后续装置处理电路）提供电能，从而完成电能的无线传输。

由于接收线圈和发送线圈存在一定的间隔，也即二者间有较大的气隙，发送线圈和接收线圈的漏感很大，使得发送线圈的无功功率增加，接收线圈的伏安等级降低，降低了电能的传输功率与传输效率。通常通过加入电容进行补偿，即电容与发送线圈或接收线圈线圈组成LC谐振振荡电路，以提高发送线圈和接收线圈的有功功率，当能量发射端和能量接收端均处于谐振状态且二者的谐振频率一致时，装置的传输功率和传输效率达到最大。

但现有的补偿装置大多是采用静态的电容实现对系统的漏感的补偿。由于负荷的多样性及发送端与接收端的耦合面积的变化等因素，使得系统参数发生变化，导致发送端、接收端的谐振频率发生变化，二者的谐振频率经常不一致，造成系统传输功率下降，传输效率变低。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种磁感应式无线电能传输设备中的接收补偿装置，该接收补偿装置能使磁感应式无线电能传输设备的接收端保持在额定频率下谐振，提高接收端的有功功率，进而提高磁感应式无线电能传输设备的传输功率和传输效率。

本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种磁感应式无线电能传输设备中的接收补偿装置，其特征在于：

多个接收补偿电容并联组成接收电容补偿阵列，且接收电容补偿阵列中的每一个接收补偿电容都分别与对应的接收电子开关串联；接收电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中接收端的接收线圈与负荷之间；

所述的接收端的接收线圈上安装有接收电流传感器，接收端的负荷两端安装接收电压传感器；接收电容补偿阵列中的每一个接收电子开关的控制端、接收电流传感器的输出端和接收电压传感器的输出端均与接收补偿控制器相连。

本发明的第二目的是提供一种使用上述磁感应式无线电能传输设备中的接收补偿装置进行无功补偿的方法，该方法更快捷、简单地实现接收端的无功补偿，提高接收端的有功功率，进而提高磁感应式无线电能传输设备的传输功率和传输效率。

本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种上述的接收补偿装置对磁感应式无线电能传输设备进行无功补偿的方法，其步骤是：

A、初始时,接收补偿控制器根据接收端的接收线圈电感值（X₂），算出初始补偿电容值，控制相应的接收电子开关的开闭，使接入的接收补偿电容的总电容值等于初始补偿电容值，由接入的接收补偿电容与接收线圈构成LC谐振电路；对接收线圈进行初始补偿；

B、接收电流传感器、接收电压传感器将检测出的负荷两端的电压u₂及电流i₂，传送给接收补偿控制器，接收补偿控制器通过傅里叶变换分别求出电压相量值U₂和电流相量值I₂，进而计算得到负荷的阻抗Z₂,

C、如果负荷的阻抗Z₂的虚部Im(Z₂)≠0，则判定负荷是阻容性或阻感性，接收端未在额定频率ω₀下谐振；需要改变当前补偿电容值，新的当前补偿电容值为C₂，ω₀为系统额定角频率；接收补偿控制器控制相应的接收电子开关SJ的闭合状态，使接入的电容的总电容值等于当前补偿电容值C₂，由接入的接收补偿电容与接收线圈及负荷构成LC谐振电路，对接收线圈及负荷(H)进行无功补偿；使接收端重新在额定频率ω₀下谐振；

D、如果负荷的阻抗Z₂的虚部Im(Z₂)=0，则判定负荷是阻性，接收端在额定频率ω₀下谐振；不需要改变当前补偿电容值C₂，接收补偿控制器不改变当前的接收电子开关的开闭状态；

E、重复B、C、D步骤的操作，使接收端保持在额定频率ω₀下谐振。

与现有技术相比，本发明的接收补偿装置及其补偿方法的有益效果是：

一、由接收电流传感器、接收电压传感器实时检测出负荷上的电流、电压值，并由接收补偿控制器计算、判断出接收端是否处于谐振状态；未处于谐振状态时，给出当前所需的电容补偿值并控制相应的接收电子开关的闭合，使接收电容阵列中投切的总电容值等于当前所需的电容补偿值，使接收端恢复谐振状态。从而使磁感应式无线电能传输设备的接收端保持在额定频率下谐振，提高了接收端的有功功率，进而提高了磁感应式无线电能传输设备的传输功率和传输效率。

二、采用实时检测负荷的电流、电压作为计算、判断基础直接计算出达到谐振状态所需的补偿电容值，并以此补偿电容值为依据控制投入相应的电容，较之逐步逼近法，其补偿控制方法更简单、便捷、高效。

三、接收补偿电容阵列作为无功补偿器件，具有体积小、性能稳定、价格低廉、电路简单、便于集成、易于推广。

本发明的第三目的是提供一种磁感应式无线电能传输设备中的发送补偿装置，该发送补偿装置能使磁感应式无线电能传输设备的发送端保持在额定频率下谐振，提高发送端的有功功率，进而提高磁感应式无线电能传输设备的传输功率和传输效率。

本发明实现其第三发明目的所采用的技术方案是，一种磁感应式无线电能传输设备中的发送补偿装置，其特征在于：

多个发送补偿电容并联组成发送电容补偿阵列，且发送电容补偿阵列中的每一个发送电容都分别与对应的发送电子开关SF串联；发送电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中发送端的发送线圈与逆变器之间；

所述的发送端的发送线圈上安装有发送电流传感器，发送端的发送线圈两端安装发送电压传感器；发送电容补偿阵列中的每一个发送电子开关的控制端、发送电流传感器的输出端和发送电压传感器的输出端均与磁感应式无线电能传输设备中发送端的控制器相连。

本发明的第四目的是提供一种使用上述磁感应式无线电能传输设备中的发送补偿装置进行无功补偿的方法，该方法更快捷、简单地实现发送端的无功补偿，提高发送端的有功功率，进而提高磁感应式无线电能传输设备的传输功率和传输效率。

本发明实现其第四发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的发送补偿装置对磁感应式无线电能传输设备进行无功补偿的方法，其步骤是：

A、初始时,发送端的控制器根据发送端的发送线圈的电感值（X₁），算出初始补偿电容值，控制相应的发送电子开关的开闭，使接入的发送补偿电容的总电容值等于初始补偿电容值，由接入的发送补偿电容与发送线圈构成LC谐振电路；对发送线圈进行初始补偿；

B、发送电流传感器、发送电压传感器将检测出的发送线圈的电流i₁及电压u₁，传送给发送端的控制器，发送端的控制器通过傅里叶变换分别求出其电压相量值U₁和电流相量值I₁，进而计算得到发送端的发送线圈的阻抗Z₁,

C、如果发送线圈的阻抗Z₁的虚部Im(Z₁)≠ω₀*X₁，则判定发送端未在额定频率ω₀下谐振；需要改变当前补偿电容值，新的当前补偿电容值为C₁，ω₀为系统额定角频率；发送端的控制器控制相应的发送电子开关的开闭，使接入的发送补偿电容的总电容值等于当前补偿电容值C₁，由接入发送补偿电容与发送线圈构成LC谐振电路，对发送线圈进行无功补偿；使发送端重新在额定频率ω₀下谐振；

D、如果发送线圈的阻抗Z₁的虚部Im(Z₁)=ω₀*X₁，则判定发送端在额定频率ω₀下谐振；不需要改变当前补偿电容值C₁，发送端的控制器不改变当前的发送电子开关的开闭状态；

E、重复B、C、D步骤的操作，使发送端保持在额定频率ω₀下谐振。

与现有技术相比，本发明的接收补偿装置及其补偿方法的有益效果是：

一、由发送电流传感器、发送电压传感器实时检测出发送线圈上的电流、电压值，并由发送端的控制器计算、判断出发送端是否处于谐振状态；未处于谐振状态时，给出当前所需的电容补偿值并控制相应的发送电子开关的闭合，使发送电容阵列中投切的总电容值等于当前所需的电容补偿值，使发送端恢复谐振状态。从而使磁感应式无线电能传输设备的发送端保持在额定频率下谐振，提高了发送端的有功功率，进而提高了磁感应式无线电能传输设备的传输功率和传输效率。

二、采用实时检测发送线圈的电流、电压作为计算、判断基础直接计算出达到谐振状态所需的补偿电容值，并以此补偿电容值为依据控制投入相应的电容，较之逐步逼近法，其补偿控制方法更简单、便捷、高效。

三、发送补偿电容阵列作为无功补偿器件，具有体积小、性能稳定、价格低廉、电路简单、便于集成、易于推广。

四、由于发送端保持在谐振状态，不但提高了发送端的有功功率，同时也使发送端控制器控制的逆变器开关管保持在软开关工作状态，进一步提高了传输效率。

此外，若发送补偿装置和接收补偿装置同时用在磁感应式无线电能传输设备中，则发送端和接收端均处于谐振状态且二者的谐振频率一致，传输设备的传输功率和传输效率将达到最大。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例一的接收补偿装置用于磁感应式无线电能传输设备上的电路原理示意图（其中虚线部分为接收补偿装置）。

图2是本发明实施例二的发送补偿装置用于磁感应式无线电能传输设备上的电路原理示意图（其中虚线部分为发送补偿装置）。

图1、图2中的Z表示磁感应式无线电能传输设备发送端的整流器。

具体实施方式

实施例一

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种磁感应式无线电能传输设备中的接收补偿装置，其特征在于：

多个接收补偿电容CJ并联组成接收电容补偿阵列，且接收电容补偿阵列中的每一个接收补偿电容CJ都分别与对应的接收电子开关SJ串联；接收电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中接收端的接收线圈LJ与负荷H之间；

所述的接收端的接收线圈LJ上安装有接收电流传感器IJ，接收端的负荷H两端安装接收电压传感器UJ；接收电容补偿阵列中的每一个接收电子开关SJ的控制端、接收电流传感器IJ的输出端和接收电压传感器UJ的输出端均与接收补偿控制器KJ相连。

使用本例的接收补偿装置对磁感应式无线电能传输设备进行无功补偿的方法，其步骤是：

A、初始时,接收补偿控制器KJ根据接收端的接收线圈电感值（X₂），算出初始补偿电容值，控制相应的接收电子开关SJ的开闭，使接入的接收补偿电容CJ的总电容值等于初始补偿电容值，由接入的接收补偿电容CJ与接收线圈构成LC谐振电路；对接收线圈LJ进行初始补偿；

B、接收电流传感器IJ、接收电压传感器UJ将检测出的负荷两端的电压u₂及电流i₂，传送给接收补偿控制器KJ，接收补偿控制器KJ通过傅里叶变换分别求出电压相量值U₂和电流相量值I₂，进而计算得到负荷的阻抗Z₂,

C、如果负荷的阻抗Z₂的虚部Im(Z₂)≠0，则判定负荷H是阻容性或阻感性，接收端未在额定频率ω₀下谐振；需要改变当前补偿电容值，新的当前补偿电容值为C₂，ω₀为系统额定角频率；接收补偿控制器KJ控制相应的接收电子开关SJ的闭合状态，使接入的电容CJ的总电容值等于当前补偿电容值C₂，由接入的接收补偿电容CJ与接收线圈LJ及负荷H构成LC谐振电路，对接收线圈LJ及负荷H进行无功补偿；使接收端重新在额定频率ω₀下谐振；

D、如果负荷的阻抗Z₂的虚部Im(Z₂)=0，则判定负荷H是阻性，接收端在额定频率ω₀下谐振；不需要改变当前补偿电容值C₂，接收补偿控制器KJ不改变当前的接收电子开关SJ的开闭状态；

E、重复B、C、D步骤的操作，使接收端保持在额定频率ω₀下谐振。

实施例二

图2示出，本发明的另一种具体实施方式是，一种磁感应式无线电能传输设备中的发送补偿装置，其特征在于：

多个发送补偿电容CF并联组成发送电容补偿阵列，且发送电容补偿阵列中的每一个发送电容CF都分别与对应的发送电子开关SF串联；发送电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中发送端的发送线圈LF与逆变器N之间；

所述的发送端的发送线圈LF上安装有发送电流传感器IF，发送端的发送线圈LF两端安装发送电压传感器UF；发送电容补偿阵列中的每一个发送电子开关SF的控制端、发送电流传感器IF的输出端和发送电压传感器UF的输出端均与磁感应式无线电能传输设备中发送端的控制器K相连。

使用本例的发送补偿装置对磁感应式无线电能传输设备进行无功补偿的方法，其步骤是：

A、初始时,发送端的控制器K根据发送端的发送线圈LF的电感值（X₁），算出初始补偿电容值，控制相应的发送电子开关SF的开闭，使接入的发送补偿电容CF的总电容值等于初始补偿电容值，由接入的发送补偿电容CF与发送线圈LF构成LC谐振电路；对发送线圈LF进行初始补偿；

B、发送电流传感器IF、发送电压传感器UF将检测出的发送线圈的电压u₁及电流i₁，传送给发送端的控制器K，发送端的控制器K通过傅里叶变换分别求出其电压相量值U₁和电流相量值I₁，进而计算得到发送端的发送线圈LF的阻抗Z₁, $Z_1=\frac{U_1}{I_1};$

C、如果发送线圈的阻抗Z₁的虚部Im(Z₁)≠ω₀*X₁，则判定发送端未在额定频率ω₀下谐振；需要改变当前补偿电容值，新的当前补偿电容值为C₁，ω₀为系统额定角频率；发送端的控制器K控制相应的发送电子开关SF的开闭，使接入的发送补偿电容CF的总电容值等于当前补偿电容值C₁，由接入发送补偿电容CF与发送线圈LF构成LC谐振电路，对发送线圈LF进行无功补偿；使发送端重新在额定频率ω₀下谐振；

D、如果发送线圈的阻抗Z₁的虚部Im(Z₁)=ω₀*X₁，则判定发送端在额定频率ω₀下谐振；不需要改变当前补偿电容值C₁，发送端的控制器K不改变当前的发送电子开关SF的开闭状态；

E、重复B、C、D步骤的操作，使发送端保持在额定频率ω₀下谐振。

Claims (2)

1.一种使用接收补偿装置对磁感应式无线电能传输设备进行无功补偿的方法，

所使用的接收补偿装置的组成是：

多个接收补偿电容(CJ)并联组成接收电容补偿阵列，且接收电容补偿阵列中的每一个接收补偿电容(CJ)都分别与对应的接收电子开关(SJ)串联；接收电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中接收端的接收线圈(LJ)与负荷(H)之间；

所述的接收端的接收线圈(LJ)上安装有接收电流传感器(IJ)，接收端的负荷(H)两端安装接收电压传感器(UJ)；接收电容补偿阵列中的每一个接收电子开关(SJ)的控制端、接收电流传感器(IJ)的输出端和接收电压传感器(UJ)的输出端均与接收补偿控制器(KJ)相连；

所述的无功补偿的方法的步骤是：

A、初始时,接收补偿控制器(KJ)根据接收端的接收线圈电感值X₂，算出初始补偿电容值，控制相应的接收电子开关(SJ)的开闭，使接入的接收补偿电容(CJ)的总电容值等于初始补偿电容值，由接入的接收补偿电容(CJ)与接收线圈构成LC谐振电路；对接收线圈(LJ)进行初始补偿；

B、接收电流传感器(IJ)、接收电压传感器(UJ)将检测出的负荷两端的电流i₂及电压u₂，传送给接收补偿控制器(KJ)，接收补偿控制器(KJ)通过傅里叶变换分别求出电压相量值U₂和电流相量值I₂，进而计算得到负荷的阻抗Z₂, $Z_2=\frac{U_2}{I_2},$

C、如果负荷的阻抗Z₂的虚部Im(Z₂)≠0，则判定负荷(H)是阻容性或阻感性，接收端未在系统额定角频率ω₀下谐振；需要改变当前补偿电容值，新的当前补偿电容值为C₂，ω₀为系统额定角频率；接收补偿控制器(KJ)控制相应的接收电子开关(SJ)的闭合状态，使接入的电容(CJ)的总电容值等于当前补偿电容值C₂，由接入的接收补偿电容(CJ)与接收线圈(LJ)及负荷(H)构成LC谐振电路，对接收线圈(LJ)及负荷(H)进行无功补偿；使接收端重新在系统额定角频率ω₀下谐振；

D、如果负荷的阻抗Z₂的虚部Im(Z₂)＝0，则判定负荷(H)是阻性，接收端在系统额定角频率ω₀下谐振；不需要改变当前补偿电容值C₂，接收补偿控制器(KJ)不改变当前的接收电子开关(SJ)的开闭状态；

E、重复B、C、D步骤的操作，使接收端保持在系统额定角频率ω₀下谐振。

2.一种使用发送补偿装置对磁感应式无线电能传输设备进行无功补偿的方法，

所使用的发送补偿装置的组成是：

多个发送补偿电容(CF)并联组成发送电容补偿阵列，且发送电容补偿阵列中的每一个发送电容(CF)都分别与对应的发送电子开关(SF)串联；发送电容补偿阵列串接在磁感应式无线电能传输设备中发送端的发送线圈(LF)与逆变器(N)之间；

所述的发送端的发送线圈(LF)上安装有发送电流传感器(IF)，发送端的发送线圈(LF)两端安装发送电压传感器(UF)；发送电容补偿阵列中的每一个发送电子开关(SF)的控制端、发送电流传感器(IF)的输出端和发送电压传感器(UF)的输出端均与磁感应式无线电能传输设备中发送端的控制器(K)相连；

所述的无功补偿的方法的步骤是：

A、初始时,发送端的控制器(K)根据发送端的发送线圈(LF)的电感值X₁，算出初始补偿电容值，控制相应的发送电子开关(SF)的开闭，使接入的发送补偿电容(CF)的总电容值等于初始补偿电容值，由接入的发送补偿电容(CF)与发送线圈(LF)构成LC谐振电路；对发送线圈(LF)进行初始补偿；

B、发送电流传感器(IF)、发送电压传感器(UF)将检测出的发送线圈的电流i₁及电压u₁，传送给发送端的控制器(K)，发送端的控制器(K)通过傅里叶变换分别求出其电压相量值U₁和电流相量值I₁，进而计算得到发送端的发送线圈(LF)的阻抗Z₁,

C、如果发送线圈的阻抗Z₁的虚部Im(Z₁)≠ω₀*X₁，则判定发送端未在系统额定角频率ω₀下谐振；需要改变当前补偿电容值，新的当前补偿电容值为C₁，ω₀为系统额定角频率；发送端的控制器(K)控制相应的发送电子开关(SF)的开闭，使接入的发送补偿电容(CF)的总电容值等于当前补偿电容值C₁，由接入发送补偿电容(CF)与发送线圈(LF)构成LC谐振电路，对发送线圈(LF)进行无功补偿；使发送端重新在系统额定角频率ω₀下谐振；

D、如果发送线圈的阻抗Z₁的虚部Im(Z₁)＝ω₀*X₁，则判定发送端在系统额定角频率ω₀下谐振；不需要改变当前补偿电容值C₁，发送端的控制器(K)不改变当前的发送电子开关(SF)的开闭状态；

E、重复B、C、D步骤的操作，使发送端保持在系统额定角频率ω₀下谐振。