CN103812229B - 三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，其中三谐振线圈无线电能系统包括频率可调功率源、无线电能传输装置、负载和频率调节控制器。控制方法通过无线电能传输接收装置反馈信号给频率控制器以得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而频率控制器根据工作频率与传输距离之间的关系调节可调频率功率源的频率，使无线电能传输装置在传输距离变化时，负载输出功率维持在最大水平；输出电压调节装置对无线电能接收装置的输出进行AC‑DC变换或AC‑DC‑AC变换以给负载供电。该发明实现了三谐振线圈无线电能传输系统的最大功率输出，适合于电动汽车等中大功率的无线充电系统。

Description

三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法。

背景技术

2006年，麻省理工学院（MIT）的研究人员利用物理的共振原理成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验成为了无线电能传输技术的一个新突破，实现了中等距离的全方位的无线电能传输，并掀起了全世界无线电能传输研究的热潮。

其实早在MIT实验成功的100多年前，美国发明家特斯拉（Nicola Tesla）就实现了类似的技术，但此后的很长时间内，无线电能传输技术发展缓慢。

MIT实验成功后，世界各国的研究人员对谐振耦合无线电能传输进行了大量深入的研究，对系统的建模和最大功率、最大效率控制方法取得了卓有成效的研究成果。在实现最大功率或最大效率的方法上有自动阻抗匹配方法和自动频率跟踪方法，这两种方法的可行性已经在实验中得到验证。

但目前的最大功率控制方法大部分是基于谐振耦合无线电能传输系统失谐问题进行控制的，例如采用锁相环（PLL）技术，也有对谐振耦合无线电能传输系统本身的频率分裂现象进行控制的。基于锁相环（PLL）技术的控制方法只能在小范围内对输出功率进行调节，系统一旦远远偏离谐振频率时，控制方法失去作用。基于频率分裂现象的控制方法是对系统本身的特性进行控制，具有较好的性能，但目前此控制方法的分析还不够全面，无法应用于本发明所提及的三谐振线圈模型。另外，对于其他的补偿电容矩阵或可调电容来进行调节频率的方法，增加了系统结构和控制的复杂性。并且，谐振耦合无线电能传输系统通常采用四谐振线圈模型，这种接收端为两个线圈的情况在实际使用中存在极大的不方便，因此可以省去一个负载线圈；而发射端由于可以固定在某个位置，采用两个线圈是可以实现的。因此，采用三谐振线圈的无线电能传输系统更加具有实用性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，实现在一定距离内无线电能传输系统的最大功率传输。

本发明通过如下技术方案实现：

三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，所述三谐振线圈无线电能系统包括频率可调功率源、无线电能传输装置和负载，所述无线电能传输装置包括无线电能发射装置、无线电能接收装置和输出电压调节装置；其特征在于通过无线电能传输接收装置反馈信号给频率控制器以得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而频率控制器根据工作频率与传输距离之间的关系调节可调频率功率源的频率，使无线电能传输装置在传输距离变化时，负载输出功率维持在最大水平；所述输出电压调节装置对无线电能接收装置的输出进行AC-DC变换或AC-DC-AC变换以给负载供电。

进一步的，无线电能传输装置采用谐振耦合的方式实现。

进一步的，无线电能传输接收装置发送红外信号给频率控制器，频率控制器根据无线电能传输接收装置反馈的信号得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而根据控制频率与传输距离的关系通过DSP或FPGA编程实现对频率可调功率源进行频率调节。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：采用谐振耦合方式实现无线电能传输，实现系统频率的自动调节，在同样传输距离内实现最大功率的传输，并维持在稳定的水平。

附图说明

图1为本发明方案的示意图。

图2为本发明方案频率可调功率源的具体实施电路图。

图3为三谐振线圈无线电能传输系统示意图。

图4为三谐振线圈模型的等效电路图。

图5为三谐振线圈模型的频率f与耦合系数k关系的频率分裂图。

图6为有频率调节和固定频率的S参数与耦合系数k的关系曲线图。

具体实施方案

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。

实施例1

图1为本发明方案的示意图。图2为本发明方案频率可调功率源的具体实施电路图，包括一个开关管S，第一电容C₀，第二电容C，第一电感L₀，第二电感L和负载R。

图3是本发明三谐振线圈无线电能传输系统的示意图。无线电能传输发射装置由谐振线圈1和谐振线圈2组成，无线电能传输接收装置由谐振线圈3组成。以下以此模型为例，说明本发明的控制方法。

图4为本发明三谐振无线电能传输系统示意图的简化等效电路模型（不考虑谐振线圈1和3之间的耦合）。图4中，R_S为源内阻，R_L为负载电阻，谐振线圈1等效为电感L₁、电容C₁和线圈内阻R₁，谐振线圈2等效为电感L₂、电容C₂和线圈内阻R₂，谐振线圈3等效为电感L₃、电容C₃和线圈内阻R₃。

电路模型的参数为：源内阻：R_S=50Ω；负载电阻：R_L=50Ω；线圈电感：L₁=1μH，L₂=L₃=20μH；电容：C₁=253pF，C₂=C₄=12.67pF；线圈内阻：R₁=0.2Ω，R₂=R₃=0.5Ω；耦合系数k₁₂=0.1。

根据基尔霍夫电压定律，得：

$\left[\begin{array}{c}{V}_S\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{Z}_1& \mathrm{j\ω}{M}_{12}& 0\\ \mathrm{j\ω}{M}_{12}& Z_2& -\mathrm{j\ω}{M}_{23}\\ 0& -\mathrm{j\ω}{M}_{23}& Z_3\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right]$

式中， $Z_1=R_S+R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1},$ $Z_2=R_2+\mathrm{j\ω}{L}_2+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_2},$ $Z_3=R_3+\mathrm{j\ω}{L}_3+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_3}+R_L.$ 耦合系数满足：

$0\≤k_{\mathrm{xy}}=\frac{M_{\mathrm{xy}}}{\sqrt{L_x{L}_y}}\≤1,(x,y=\mathrm{1,2,3}.)$

解得负载电压V_L为：

$\frac{V_L}{V_S}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{k}_{12}{k}_{23}{L}_2\sqrt{L_1{L}_3}{R}_L}{Z_1{Z}_2{Z}_3+{\mathrm{\ω}}^2\left(k_{12}^2{L}_2{L}_3{Z}_1\right)}$

定义S参数S₂₁为：

$S_{21}=2\left|\frac{V_L}{V_S}\right|{\left(\frac{R_S}{R_L}\right)}^{1/2}$

则S参数S₂₁代表了系统传输功率的性能。因为耦合系数k₁₂为固定值，以下的分析省略耦合系数k₂₃的下表，即用k代替k₂₃。则根据S₂₁与耦合系数k、频率f之间的关系谐振耦合无线电能传输系统存在过耦合、临界耦合和欠耦合三个区域。在过耦合区域，S₂₁会出现频率分裂现象，过了临界耦合区域，S₂₁随着k的减小而指数衰减。为了在一定范围内保持传输功率最大，必须采取一定的措施使频率自动调节来实现。

以k₁₂为固定值，|V_L/V_S|对k₂₃进行求导（以下分析省略下标），并令导数为零，得到临界耦合系数：

${k_c|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0}=\sqrt{\frac{(R_S+R_1)R_2(R_3+R_L)+{\mathrm{\ω}}_0^2{k}_{12}^2{L}_1{L}_2(R_3+R_L)}{{\mathrm{\ω}}_0^2{L}_2{L}_3(R_S+R_1)}}$

定义回路品质因数：

$Q_1=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{L}_1}{R_S+R_1}$

$Q_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{L}_2}{R_2}$

$Q_3=\frac{{\mathrm{\ω}}_0{L}_3}{R_3+R_L}$

则临界耦合系数为：

${k_c|}_{\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_0}=\sqrt{\frac{1}{Q_3}(\frac{1}{Q_2}+k_{12}^2{Q}_1)}$

为了增加过耦合区域，必须减小临界耦合系数k_c，由上式可知即增大回路品质因数Q₃、Q₂或减小Q₁、k₁₂。频率跟踪控制器4正是在无线电能传输系统工作在过耦合区域时调节可频率功率源1的工作频率使输出功率最大的。一下进一步说明实施方案。

对于三谐振线圈模型，在过耦合的区域存在频率分裂现象，如果系统频率固定在谐振频率处时，系统的传输功率将会很低，难以满足实际系统的要求。通过以上的分析可知，在过耦合区域，输出最大功率的频率f与耦合系数k之间的关系如图5所示，即频率f是耦合系数k的函数，设为f=F(k)。而耦合系数k又是距离D的函数，即：

$k\≈\frac{1}{2{(D/\sqrt{r_1{r}_2})}^3},D>>r_1,D>>r_2$

若线圈的半径r₁、r₂与距离D数值相当时，上述公式修改为：

$k\≈\frac{1}{[1+2^{2/3}{(D/\sqrt{r_1{r}_2})}^{3/2}}$

因此频率也是距离的函数，设为f=H(D)。在实际系统的设计中，频率控制器4正是根据无线电能传输系统传输距离的变化根据关系f=H(D)自动调节系统的功率频率，使输出功率最大。具体为：无线电能传输接收装置发送红外信号给频率控制器4，频率控制器4根据无线电能传输接收装置反馈的信号得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而根据控制频率与传输距离的关系通过DSP或FPGA编程实现对频率可调功率源1进行频率调节。在本例中，为了实施的方便，仍采用关系f=F(k)。

图6为有频率调节和固定频率的S参数S₂₁与耦合系数k的关系曲线。由图中可以看出，在过耦合区域，采用固定频率的谐振耦合无线电能传输系统，由于系统本身的频率分裂现象，在耦合系数k比较大（距离D比较近）时，系统的输出功率反而比较低，在临界耦合区域时传输功率达到最大。而对于频率自动调节的系统，在过耦合区域内，输出功率基本保持很定，并且维持在最大的水平。

由以上的分析和仿真结果可以看出，本发明的三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法在过耦合区域内能够保证最大功率传输，因此非常适合于电动汽车等中大功率的无线电能传输系统。

Claims (3)

1.三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，所述三谐振线圈无线电能系统包括频率可调功率源(1)、无线电能传输装置(2)和负载(3)，所述无线电能传输装置(2)包括无线电能发射装置、无线电能接收装置和输出电压调节装置；其特征在于通过无线电能接收装置反馈信号给频率控制器(4)以得到无线电能接收装置的位置信号，从而频率控制器(4)根据工作频率与传输距离之间的关系调节频率可调功率源(1)的频率，使无线电能传输装置(2)在传输距离变化时，负载(3)输出功率维持在最大水平；所述输出电压调节装置对无线电能接收装置的输出进行AC-DC变换或AC-DC-AC变换以给负载(3)供电；无线电能发射装置由第一谐振线圈和第二谐振线圈组成，无线电能接收装置由第三谐振线圈组成；

输出最大功率的频率f与耦合系数k之间的关系，即频率f是耦合系数k的函数，设为f＝F(k)，而耦合系数k又是距离D的函数，即：

r₁、r₂分别为第一谐振线圈和第二谐振线圈的半径。

2.根据权利要求1所述的三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，其特征在于无线电能传输装置(2)采用谐振耦合的方式实现。

3.根据权利要求1所述的三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，其特征在于无线电能接收装置发送红外信号给频率控制器(4)，频率控制器(4)根据无线电能接收装置反馈的信号得到无线电能接收装置的位置信号，从而根据控制频率与传输距离的关系通过DSP或FPGA编程实现对频率可调功率源(1)进行频率调节。