CN105141044A - 一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法，通过检测两组电压源的实际输出电压、电流大小以及电流之间的相角差，计算出接收线圈与两个发射线圈间的互感大小；根据输出功率的计算公式确定能够维持稳定功率输出的电压组合，最后从这些组合中筛选出效率最高的一组作为实际的电源输出。本方法实现了通过电源协同控制优化输出功率和传输效率，适用于对工作稳定性和效率要求较高的移动设备供电。

Description

一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及一种双源无线供电系统的控制方法。

背景技术

当下，磁耦合谐振式无线电能传输技术已经在智能家居、医疗卫生设施、轨道交通等领域引发了新一轮的变革，摆脱导线的束缚成为了大众共同的期许。

但磁耦合谐振式无线电能传输系统中发射线圈与接收线圈之间是通过空气为媒介进行能量的传输，因此在实际应用中会出现一个问题，即负载端的信息无法及时反馈到电源侧，那么在接收线圈位置发生变化时，如果电源无法做出相应的调控措施，就无法控制负载的接收功率和系统的传输效率。一种可行的解决方案是采用无线通讯的方式进行发射端与接收端之间的信息交互，但此种控制方法不仅增加了系统的控制难度，通讯装置的可靠性也会受到工作环境的影响。另一方面，传统的单源无线供电系统在供电自由度上受到了极大的限制，传输功率和效率会随着收发线圈互感的减小而急剧下降。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法，实现对传输功率和效率的实时控制。

技术方案：一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法，所述双源无线供电系统包括两组可调电压源、无线电能传输装置，所述无线电能传输装置包括两个发射线圈和一个接收线圈，所述接收线圈连接负载并位于两个发射线圈之间，每个发射线圈连接一组可调电压源；包括如下步骤：

步骤1)，在线检测所述两组可调电压源的输出电压和电流，计算出所述接收线圈分别与两个发射线圈的互感大小M₁,M₂，具体为：

当两组可调电压源输出电流的相角差δ≠0°时，

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\sqrt{\frac{\mathrm{Re}\left(U_1\right)+{\mathrm{\ωM}}_{12}{\mathrm{DI}}_1/sin\mathrm{\δ}-R_1{I}_1-\mathrm{Im}\left(U_1\right)\cot \mathrm{\δ}}{I_1{\mathrm{\ω}}^2}{Z}_3}\\ M_2=(\frac{\mathrm{Im}\left(U_1\right)}{I_1}-{\mathrm{\ωM}}_{12}Dcos\mathrm{\δ})\frac{Z_3}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{1}D\sin \mathrm{\δ}}\end{array}\right.$

当两组可调电压源输出电流的相角差δ＝0°时，

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\sqrt{{\left(\mathrm{Re}\right(U_1)-I_1{R}_1)}^2{I}_2{Z}_3/\left(I_1{\mathrm{\ω}}^{2}E\right)}\\ M_2=\sqrt{D^2{\left(\mathrm{Re}\right(U_2)-I_2{R}_2)}^2{I}_1{Z}_3/\left(I_2{\mathrm{\ω}}^{2}E\right)}\end{array}\right.$

式中，E＝(Re(U₁)-I₁R₁)I₂+D²(Re(U₂)-I₂R₂)I₁

其中，U₁,U₂,I₁,I₂分别为两组可调电压源输出的电压和电流值，分别为两组可调电压源各自输出电压与电流的相角差，R₁,R₂分别为两个发射线圈的内阻，ω为无线电能传输装置工作频率，Z₃为接收线圈阻抗，D为I₁和I₂之间的幅值倍数；

步骤2)，所述接收线圈输出功率为根据负载所需功率P₀的要求，得到满足P_out＝P₀时所述两组可调电压源的输出电压组合；其中，R_L为负载电阻；

步骤3)，遍历所述步骤2)得到的输出电压组合，计算不同输出电压组合下无线电能传输效率η，选出传输效率η最高的一组作为所述两组可调电压源的最优输出电压；其中，所述无线电能传输效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{P_{out}}{\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\left({\stackrel{\·}{U}}_1-R_{s1}{\stackrel{\·}{I}}_1\right)\right)+\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_2\left({\stackrel{\·}{U}}_2-R_{s2}{\stackrel{\·}{I}}_2\right)\right)}$

其中，R_s1,R_s2分别为两组可调电压源的内阻，P_in为两组可调电压源输出功率总和；

步骤4)，根据所述步骤3)得到的两组可调电压源的最优输出电压，对两组可调电压源进行控制。

有益效果：本发明的一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法，首先检测两组可调电压源的实际输出电压、电流和电流相位差，算得到收发线圈间的互感系数；然后，根据负载大小和实际功率需求，对两组可调电压源进行协同控制，同时达到稳定的功率输出和较高的传输效率的目的；最后，根据传输效率筛选出效率最高的一组作为实际的电源输出。根据上述控制策略可以得到最优的供电组合，使得负载获得高效且稳定的能量供给，拓宽了无线供电的范围并实现了对传输功率和效率的实时控制，适用于对工作稳定性和效率要求较高的移动设备供电。

附图说明

图1为双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制的结构示意图；

图2为双源无线供电系统的等效电路图；

图3为满足双源无线供电系统功率方程的电压组合；

图4为不同位置处接收线圈的最优供电组合；

图5为不同位置处接收线圈最优供电组合所对应的传输效率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法所基于的系统包括两组可调电压源、源端电压电流检测及互感计算模块、电源协同控制模块、无线电能传输装置和负载。无线电能传输装置包括两个发射线圈和一个接收线圈，接收线圈连接负载并位于两个发射线圈之间，接收线圈的方向不受限制，每个发射线圈连接一组可调电压源，双无线电能传输装置通过磁耦合谐振的方式实现。

无线电能传输装置的等效电路如图2所示，其中M₁为接收线圈Rx1与第一个发射线圈Tx1之间的互感，M₂为接收线圈Rx1与第二个发射线圈Tx2之间的互感，M₁₂为第一个发射线圈Tx1与第二个发射线圈Tx2之间的互感。本实施例中，两组可调电压源的内阻R_s1＝R_s2＝50Ω，谐振频率f＝480kHz；两个发射线圈的参数完全相同，其线径a1＝0.001m，线圈半径r1＝0.15m，线圈匝数N1＝26，两个发射线圈的内阻分别为R₁,R₂，两个发射线圈连接的电容分别为C₁,C₂，两个发射线圈的电感分别为L₁,L₂；接收线圈的线径a2＝0.001m，半径r2＝0.037m，匝数N2＝44，接收线圈的内阻为R₃，接收线圈连接的电容为C₃，接收线圈的电感为L₃，接收线圈连接的负载电阻为R_L。

根据图2，列出KVL方程：

$\left[\begin{array}{c}0\\ U_1\\ U_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{j\ωM}}_1& {\mathrm{j\ωM}}_2& -Z_3\\ Z_1& {\mathrm{j\ωM}}_{12}& -{\mathrm{j\ωM}}_1\\ {\mathrm{j\ωM}}_{12}& Z_2& -{\mathrm{j\ωM}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right]$

式中，U₁,I₁分别为第一组可调电压源输出的电压和电流值，U₂,I₂分别为第二组可调电压源输出的电压和电流值，ω为无线电能传输装置工作频率，Z₁,Z₂,Z₃分别第一个发射线圈Tx1、第二个发射线圈Tx2以及接收线圈Rx1的阻抗，I₃为接收线圈输出电流值。其中，ω＝2πf，R₁＝R₂，C₁＝C₂，L₁＝L₂，Z₁＝R_s1+R₁+1/jωC₁+jωL₁，Z₂＝R_s2+R₂+1/jωC₂+jωL₂，Z₃＝R₃+R_L+1/jωC₃+jωL₃。

两组可调电压源各自输出电压与电流的相角差分别为两组可调电压源输出电流的相角差δ，则两组可调电压源的输出电压表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1=I_1(R_1+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+{\mathrm{j\ωL}}_1-\frac{{\mathrm{j\ωM}}_1{I}_3}{I_1})=(R_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{Z_3}{M_1}^2)I_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{Z_3}{M}_1{M}_2{I}_2\\ U_2=I_2(R_2+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}+{\mathrm{j\ωL}}_2-\frac{{\mathrm{j\ωM}}_2{I}_3}{I_2})=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{Z_3}{M}_1{M}_2{I}_1+(R_2+\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{Z_3}{M_2}^2)I_2\end{array}\right.$

其中，参数ω,Z₃,R₁,R₂,C₁,C₂,L₁,L₂都是固定不变的，U₁,U₂,I₁,I₂,δ,M₁,M₂是随接收线圈与两个发射线圈相对距离变化而改变的，其中U₁,U₂,I₁,I₂,δ,通过源端电压电流检测及互感计算模块测得，因而对于每一组M₁,M₂都是可以求解的。通过发射源之间的交互测出I₁和I₂幅值以及δ的关系，具体表示为：

I₂＝DI₁∠δ

$I_1=\frac{1}{D}{I}_2\∠-\mathrm{\δ}$

其中，D为I₁和I₂之间的幅值倍数，由实际测量得到。

将U₁,U₂的实部和虚部进行分解得到：

联立上式，即可求得接收线圈与两个发射线圈的互感M₁,M₂：

当δ≠0°时， $\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\sqrt{\frac{\mathrm{Re}\left(U_1\right)+{\mathrm{\ωM}}_{12}{\mathrm{DI}}_1/sin\mathrm{\δ}-R_1{I}_1-\mathrm{Im}\left(U_1\right)\cot \mathrm{\δ}}{I_1{\mathrm{\ω}}^2}{Z}_3}\\ M_2=(\frac{\mathrm{Im}\left(U_1\right)}{I_1}-{\mathrm{\ωM}}_{12}Dcos\mathrm{\δ})\frac{Z_3}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{1}D\sin \mathrm{\δ}}\end{array}\right.$

当δ＝0°时， $\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\sqrt{{\left(\mathrm{Re}\right(U_1)-I_1{R}_1)}^2{I}_2{Z}_3/\left(I_1{\mathrm{\ω}}^{2}E\right)}\\ M_2=\sqrt{D^2{\left(\mathrm{Re}\right(U_2)-I_2{R}_2)}^2{I}_1{Z}_3/\left(I_2{\mathrm{\ω}}^{2}E\right)}\end{array}\right.$

式中，E＝(Re(U₁)-I₁R₁)I₂+D²(Re(U₂)-I₂R₂)I₁

根据KVL方程得到两组可调电压源输出功率总和P_in：

$P_{in}=\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\left({\stackrel{\·}{U}}_1-R_{s1}{\stackrel{\·}{I}}_1\right)\right)+\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_2\left({\stackrel{\·}{U}}_2-R_{s2}{\stackrel{\·}{I}}_2\right)\right);$

接收线圈输出功率表示为：

$P_{out}={\left|\frac{j\mathrm{\ω}\[({\mathrm{BM}}_2-{\mathrm{CM}}_1){\stackrel{\·}{U}}_1+({\mathrm{BM}}_1-{\mathrm{AM}}_2){\stackrel{\·}{U}}_2\]}{Z_3(B^2-AC)}\right|}^2{R}_L;$

式中，A＝Z₁+ω²M₁ ²/Z₃，C＝Z₂+ω²M₂ ²/Z₃，B＝ω²M₁M₂/Z₃+jωM₁₂。

将得到的M₁,M₂代入接收线圈输出功率P_out，得到：

$P_{out}=|{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\α}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\β}}{|}^2{R}_L$

式中， ${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\α}}=\frac{j\mathrm{\ω}\left({\mathrm{BM}}_2-{\mathrm{CM}}_1\right)}{Z_3\left(B^2-AC\right)}{\stackrel{\·}{U}}_1,{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{\β}}=\frac{j\mathrm{\ω}\left({\mathrm{BM}}_1-{\mathrm{AM}}_2\right)}{Z_3\left(B^2-AC\right)}{\stackrel{\·}{U}}_2;$ 代入得到：

$P_{out}={\left|\frac{{\mathrm{j\ωM}}_1{I}_1+{\mathrm{j\ωM}}_2{I}_2}{Z_3}\right|}^2{R}_L.$

根据负载所需功率P₀的要求，则满足P_out＝P₀时的两组可调电压源的输出电压组合如图3中的组合1-4所示。

然后，电源协同控制模块遍历得到的输出电压组合，计算不同输出电压组合下无线电能传输效率η，选出传输效率η最高的一组作为两组可调电压源的最优输出电压；其中，无线电能传输效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{P_{out}}{\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\left({\stackrel{\·}{U}}_1-R_{s1}{\stackrel{\·}{I}}_1\right)\right)+\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_2\left({\stackrel{\·}{U}}_2-R_{s2}{\stackrel{\·}{I}}_2\right)\right)}$

其中，R_s1,R_s2分别为两组可调电压源的内阻。需要说明的是本发明中涉及的符号Re(·)均表示对括号内的复数取实部运算，Im(·)均表示对括号内的复数取虚部运算，顶部带·的参数符号表示去矢量运算。

最后，电源协同控制模块根据得到的两组可调电压源的最优输出电压，输出控制信号到两组可调电压源的控制端。

下面以发射线圈和接收线圈同轴的双源无线供电系统为例对上述控制方法进行验证，无线电能传输装置工作频率固定时，M₁,M₂分别是关于距离d₁、d₂的函数，d₁,d₂分别为接收线圈Rx1与发射线圈Tx1、Tx2之间的距离，可由经验公式计算得到。由于收发线圈互感已知，那么针对每个U₁根据功率方程就可以确定对应的电源电压U₂，从而得到一组电压组合使得输出功率稳定。然后，根据P_out/P_in计算出每一组电压组合的传输效率，并从中筛选出效率最高的一组。

当两个发射线圈间距0.4m，50Ω负载所需功率为10W时，利用MATLAB软件计算得到两组可调电压源的输出电压组合和传输效率，如图4和图5所示。当接收线圈Rx1与发射线圈Tx1的间距为0.2969m时，此时最优的供电组合为U₁＝3.07V，U₂＝18.32V，系统传输效率达到84.46％。与之相对称的位置处，接收线圈Rx1与发射线圈Tx1相距0.1031m处，此时最优的供电组合为U₁＝17.76V，U₂＝3.259V，系统传输效率达到85％。这说明当接收线圈比较接近某一个发射线圈时，靠近的发射线圈出力越大，系统效率越高。另外在对称位置处供电电压也相互对称，这与多源供电系统的具有对称性的特点相符合。当接收线圈与发射线圈Tx1相距0.2039m处时，最优的供电组合为U₁＝6.742V，U₂＝6.943V，系统传输效率达到90.85％。这说明位于中间位置处时，两组电源的出力相当时，系统效率达到最大。

以上的分析结果表明，本发明提出的双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法能够优化双源无线供电系统，使得在固定工作频率、不同位置处的负载能够获得稳定的功率供给，同时保证高效率工作，非常适用于移动设备的供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种双源无线供电系统参数在线检测和电源协同控制方法，其特征在于：所述双源无线供电系统包括两组可调电压源、无线电能传输装置，所述无线电能传输装置包括两个发射线圈和一个接收线圈，所述接收线圈连接负载并位于两个发射线圈之间，每个发射线圈连接一组可调电压源；包括如下步骤：

步骤1)，在线检测所述两组可调电压源的输出电压和电流，计算出所述接收线圈分别与两个发射线圈的互感大小M₁,M₂，具体为：

当两组可调电压源输出电流的相角差δ≠0°时，

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\sqrt{\frac{\mathrm{Re}\left(U_1\right)+{\mathrm{\ωM}}_{12}{\mathrm{DI}}_1/sin\mathrm{\δ}-R_1{I}_1-\mathrm{Im}\left(U_1\right)\cot \mathrm{\δ}}{I_1{\mathrm{\ω}}^2}{Z}_3}\\ M_2=(\frac{\mathrm{Im}\left(U_1\right)}{I_1}-{\mathrm{\ωM}}_{12}Dcos\mathrm{\δ})\frac{Z_3}{{\mathrm{\ω}}^2{M}_{1}D\sin \mathrm{\δ}}\end{array}\right.$

当两组可调电压源输出电流的相角差δ＝0°时，

$\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\sqrt{{\left(\mathrm{Re}\right(U_1)-I_1{R}_1)}^2{I}_2{Z}_3/\left(I_1{\mathrm{\ω}}^{2}E\right)}\\ M_2=\sqrt{D^2{\left(\mathrm{Re}\right(U_2)-I_2{R}_2)}^2{I}_1{Z}_3/\left(I_2{\mathrm{\ω}}^{2}E\right)}\end{array}\right.$

式中，E＝(Re(U₁)-I₁R₁)I₂+D²(Re(U₂)-I₂R₂)I₁

其中，U₁,U₂,I₁,I₂分别为两组可调电压源输出的电压和电流值，分别为两组可调电压源各自输出电压与电流的相角差，R₁,R₂分别为两个发射线圈的内阻，ω为无线电能传输装置工作频率，Z₃为接收线圈阻抗，D为I₁和I₂之间的幅值倍数；

步骤2)，所述接收线圈输出功率为根据负载所需功率P₀的要求，得到满足P_out＝P₀时所述两组可调电压源的输出电压组合；其中，R_L为负载电阻；

步骤3)，遍历所述步骤2)得到的输出电压组合，计算不同输出电压组合下无线电能传输效率η，选出传输效率η最高的一组作为所述两组可调电压源的最优输出电压；其中，所述无线电能传输效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{P_{out}}{P_{in}}=\frac{P_{out}}{\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right({\stackrel{\·}{U}}_1-R_{s1}{\stackrel{\·}{I}}_1\left)\right)+\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{I}}_2\right({\stackrel{\·}{U}}_2-R_{s2}{\stackrel{\·}{I}}_2\left)\right)}$

其中，R_s1,R_s2分别为两组可调电压源的内阻，P_in为两组可调电压源输出功率总和；

步骤4)，根据所述步骤3)得到的两组可调电压源的最优输出电压，对两组可调电压源进行控制。