CN103944279A - 一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法，其装置的组成是：无线电能传输设备接收端中的接收线圈(Lr)与负荷(D)之间依次连接有补偿电容(Cr)、相控电感电容并联电路、电流传感器(IR)；其中，相控电感电容并联电路的组成是：电感(Lt)与双向晶闸管(Ty)串联后再与电容(Ct)并联；双向晶闸管(Ty)的控制端和电流传感器(IR)的输出端均与调谐控制器(KR)相连；该调谐装置及其相应的调谐方法，能使接收端保持在最大电流有效值下运行，即接收端电路更接近完全谐振状态，以提高接收端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

Description

一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其属于感应耦合无线电能传输设备中的动态调谐装置及其调谐方法。

背景技术

二十一世纪以来无线电能传输的基础理论研究和相关技术的工业应用已经成为目前的研究热点，引起了众多国内外学者和工业界的密切关注。无线传能技术的应用小到电动牙刷、手机充电，大到电动汽车无线充电桩、轨道交通无线供电系统，而且正逐渐向大功率应用方向发展。

感应耦合无线电能传输方式是众多无线电能传输方式中向大功率方向发展最有前景的之一，其传输装置由发送端和接收端两部分组成。第一部分是感应耦合无线电能传输装置的发送端，其组成原理是：电网的工频电经过整流器整流成直流电，再经过高频逆变器将直流逆变成高频的交流电，高频的交流电流在发送线圈中流动产生高频交变磁场。第二部分是感应耦合无线电能传输装置的接收端，其组成原理是：接收端的接收线圈感应到发送线圈产生的高频交变的磁场，在接收线圈中感生出高频的交流电，接收线圈中的高频交流电经过整流器整流成直流电，再逆变为负载所需（通常为工频）交流电，从而完成电能的无线传输。

感应耦合无线电能传输装置的核心问题就是接收线圈和发送线圈之间的能量传输。最理想的情况下，感应耦合无线电能传输装置发送端和接收端均处于同一谐振频率下谐振时，装置的传输功率和传输效率达到最大。然而接收线圈和发送线圈之间存在较大的气隙，使得发送线圈和接收线圈的漏感很大，加之，负载、温湿度等因素均会导致线路的阻抗发生变化；从而使发送线圈的无功功率增加，接收线圈的电压降低，降低了电能的传输功率与传输效率。为了提高电能的传输功率与传输效率，一般由调谐装置通过投切电容来对发送线圈或接收线圈的漏感等进行调谐，即电容与发送线圈或接收线圈线圈组成LC谐振振荡电路，提高发送线圈和接收线圈的有功功率；

然而，现有接收端调谐装置大多是基于阻抗测量而改变投切电容数量进行动态补偿，实现对无线传能系统接收端线圈漏感的调谐；但由于接收端线圈漏感变化等因素导致其阻抗难以实时、精确测量，使得无线传能系统参数发生变化，进而导致发送端与接收端的谐振频率发生变化时，调谐装置不能实时、精确调谐，系统没有处于谐振的状态，降低了无线传能系统传输功率和效率。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，该动态调谐装置能使接收端保持在最大电流有效值下运行，即接收端电路更接近完全谐振状态，以提高接收端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，其特征在于：

无线电能传输设备接收端中的接收线圈与负荷之间依次连接有补偿电容、相控电感电容并联电路、电流传感器；其中，相控电感电容并联电路的组成是：电感与双向晶闸管串联后再与电容并联；双向晶闸管的控制端和电流传感器的输出端均与调谐控制器相连。

本发明的第二目的是提供一种使用上述的动态调谐装置进行调谐的方法，该方法更快捷、更简单地实现接收端的调谐，提高接收端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，双向晶闸管的当前触发角α₀设为π,即双向晶闸管设为断开状态；

B、调谐控制器控制双向晶闸管使其触发角为当前触发角α₀，同时电流传感器检测出接收线圈的电流有效值I_r，传送给调谐控制器，调谐控制器将收到的电流有效值I_r记为当前电流有效值I₀；

C、调谐控制器将B步的当前触发角α₀代入下式（1）中的触发角α计算出相控电感电容并联电路的当前等效阻抗Z₀，

$Z=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\π}{L}_t}{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+\sin 2\mathrm{\α}-\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_t{L}_t}---\left(1\right)$

式中ω₀为接收线圈上感生电压的角频率，L_t为电感的电感值，C_t为电容的电容值；

然后，调谐控制器按设定的等效阻抗Z的调节量△Z得到一个小等效阻抗Z₁，Z₁=Z₀-△Z和一个大等效阻抗Z₂，Z₂=Z₀+△Z，并根据上式（1）求出一个小等效阻抗Z₁对应的双向晶闸管的小等效阻抗调节触发角α₁和大等效阻抗Z₂对应的双向晶闸管的大等效阻抗触发角α₂；

D、调谐控制器控制双向晶闸管使其触发角为小等效阻抗调节触发角α₁，再将电流传感器检测到的接收线圈的电流有效值I_r记为小等效阻抗电流值I₁；随后调谐控制器控制双向晶闸管使其触发角等于大等效阻抗触发角α₂，并将电流传感器检测到的接收线圈的电流有效值I_r记为大等效阻抗电流值I₂；

E、调谐控制器比较三个电流值I₁、I₂和I₀的大小：如果最大值为I₁，则令当前触发角α₀=α₁，转B步；如果最大值为I₂，则令当前触发角α₀=α₂，转B步；如果最大值为I₀，直接转B步。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由于负载通常呈感性，本发明采用静态的补偿电容进行初步的静态调谐补偿，再采用相控电感电容并联电路进行动态调谐；大幅降低了动态调谐的调谐变化范围，提高了调谐精度；由双向晶闸管控制相控电感电容并联电路中的电感的通断时间实现相控电感电容并联电路从全感性至全容性的无级调节，较之离散电容阵列的有级调节，其连续性好、调谐精度高；从而本发明能实现更高精度的调谐，使接收端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，从而进一步提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

同时，双向晶闸管控制相控电感电容并联电路较之离散的电容阵列，其体积小、性能稳定、价格低廉、电路简单、便于集成、易于推广。

二、本发明通过记录双向晶闸管的当前触发角及其对应的相控电感电容并联电路两端的等效阻抗值的计算值及其测试电流有效值；再将相控电感电容并联电路两端的等效阻抗分别向小、向大偏移设定的调节量，带入计算式求出调节后的等效阻抗对应的双向晶闸管的大等效阻抗触发角和小等效阻抗触发角，再由该两个触发角来作为双向晶闸管的测试触发角，并实际测出大等效阻抗触发角和小等效阻抗触发角对应的电流有效值；最后找出大、小等效阻抗触发角和当前触发角对应的电流有效值中的最大值，再以最大电流有效值对应的触发角作为双向晶闸管的当前触发角以控制相控电感电容并联电路。通过这样的一次或多次逼近即可使接收端电路的电流有效值处于最大化，从而使接收端电路实时、动态地处于谐振状态或者谐振状态附近。

本发明利用电路谐振时，接收线圈电流最大的原理来动态补偿谐振回路的电抗，不仅补偿了负荷的阻抗，也补偿了线路中不可测量的阻抗（比如接收端线圈的漏感和温度、湿度变化导致的阻抗漂移）所造成的谐振回路参数漂移。其调谐更精确、可靠，也即本发明的方法能实现更高精度的调谐，使接收端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，更好的提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

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是本发明实施例的无线电能传输设备接收端动态调谐装置的电路结构示意图。

图1中编号为Z的是整流器,编号为N的是逆变器，编号为KS的是发送端控制器，编号为Ls的是发送线圈。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，其特征在于：

无线电能传输设备接收端中的接收线圈Lr与负荷D之间依次连接有补偿电容Cr、相控电感电容并联电路、电流传感器IR；其中，相控电感电容并联电路的组成是：电感Lt与双向晶闸管Ty串联后再与电容Ct并联；双向晶闸管Ty的控制端和电流传感器IR的输出端均与调谐控制器KR相连。

使用本例的动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，双向晶闸管Ty的当前触发角α₀设为π,即双向晶闸管Ty设为断开状态；

B、调谐控制器KR控制双向晶闸管Ty使其触发角为当前触发角α₀，同时电流传感器IR检测出接收线圈Lr的电流有效值I_r，传送给调谐控制器KR，调谐控制器KR将收到的电流有效值I_r记为当前电流有效值I₀；

C、调谐控制器KR将B步的当前触发角α₀代入下式（1）中的触发角α计算出相控电感电容并联电路的当前等效阻抗Z₀，

$Z=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\π}{L}_t}{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+\sin 2\mathrm{\α}-\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_t{L}_t}---\left(1\right)$

式中ω₀为接收线圈Lr上感生电压的角频率，L_t为电感Lt的电感值，C_t为电容Ct的电容值；

然后，调谐控制器KR按设定的等效阻抗Z的调节量△Z得到一个小等效阻抗Z₁，Z₁=Z₀-△Z和一个大等效阻抗Z₂，Z₂=Z₀+△Z，并根据上式(1)求出一个小等效阻抗Z₁对应的双向晶闸管Ty的小等效阻抗调节触发角α₁和大等效阻抗Z₂对应的双向晶闸管Ty的大等效阻抗触发角α₂；

D、调谐控制器KR控制双向晶闸管Ty使其触发角为小等效阻抗调节触发角α₁，再将电流传感器IR检测到的接收线圈Lr的电流有效值I_r记为小等效阻抗电流值I₁；随后调谐控制器KR控制双向晶闸管Ty使其触发角等于大等效阻抗触发角α₂，并将电流传感器IR检测到的接收线圈Lr的电流有效值I_r记为大等效阻抗电流值I₂；

E、调谐控制器KR比较三个电流值I₁、I₂和I₀的大小：如果最大值为I₁，则令当前触发角α₀=α₁，转B步；如果最大值为I₂，则令当前触发角α₀=α₂，转B步；如果最大值为I₀，直接转B步。

Claims (2)

1.一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，其特征在于：

无线电能传输设备接收端中的接收线圈(Lr)与负荷(D)之间依次连接有补偿电容(Cr)、相控电感电容并联电路、电流传感器(IR)；其中，相控电感电容并联电路的组成是：电感(Lt)与双向晶闸管(Ty)串联后再与电容(Ct)并联；双向晶闸管(Ty)的控制端和电流传感器(IR)的输出端均与调谐控制器(KR)相连。

2.一种使用权利要求1所述的动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，双向晶闸管(Ty)的当前触发角α₀设为π,即双向晶闸管(Ty)设为断开状态；

B、调谐控制器(KR)控制双向晶闸管(Ty)使其触发角为当前触发角α₀，同时电流传感器(IR)检测出接收线圈(Lr)的电流有效值I_r，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电流有效值I_r记为当前电流有效值I₀；

C、调谐控制器(KR)将B步的当前触发角α₀代入下式（1）中的触发角α计算出相控电感电容并联电路的当前等效阻抗Z₀，

$Z=\frac{{\mathrm{j\ω}}_0\mathrm{\π}{L}_t}{2\mathrm{\π}-2\mathrm{\α}+\sin 2\mathrm{\α}-\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_0^2{C}_t{L}_t}---\left(1\right)$

式中ω₀为接收线圈(Lr)上感生电压的角频率，L_t为电感(Lt)的电感值，C_t为电容(Ct)的电容值；

然后，调谐控制器(KR)按设定的等效阻抗Z的调节量△Z得到一个小等效阻抗Z₁，Z₁=Z₀-△Z和一个大等效阻抗Z₂，Z₂=Z₀+△Z，并根据上式（1）求出一个小等效阻抗Z₁对应的双向晶闸管(Ty)的小等效阻抗调节触发角α₁和大等效阻抗Z₂对应的双向晶闸管(Ty)的大等效阻抗触发角α₂；

D、调谐控制器(KR)控制双向晶闸管(Ty)使其触发角为小等效阻抗调节触发角α₁，再将电流传感器(IR)检测到的接收线圈(Lr)的电流有效值I_r记为小等效阻抗电流值I₁；随后调谐控制器(KR)控制双向晶闸管(Ty)使其触发角等于大等效阻抗触发角α₂，并将电流传感器(IR)检测到的接收线圈(Lr)的电流有效值I_r记为大等效阻抗电流值I₂；

E、调谐控制器(KR)比较三个电流值I₁、I₂和I₀的大小：如果最大值为I₁，则令当前触发角α₀=α₁，转B步；如果最大值为I₂，则令当前触发角α₀=α₂，转B步；如果最大值为I₀，直接转B步。