CN105337426A - 一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动的方法。该方法适用于非接触式电能双向传输系统的自启动。以电能从1侧流向2侧为例，在系统启动阶段，利用2侧采样电阻获取1侧高频逆变电压的相位信息，并将其作为2侧控制器的输入以使得2侧控制器输出满足系统相位要求的控制脉冲。在系统自启动过程完成后，2侧的控制器产生一个关断信号用以将采样该电阻切除，消除电路正常工作时在采样电阻上的损耗；同时，1侧和2侧的输入电压均转入至正常电压等级以执行能量的高效无线双向传输。

Description

一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法

技术领域

本发明涉及一种双向无线电能传输系统自启动的方法，尤其适用于需要能量双向流动的无线电能传输领域。

背景技术

双向无线电能传输系统由于其能够实现能量的双向流动，因而在1侧和2侧具有对等的拓扑，特别适用于电动汽车之间的无线供电。由于电动汽车车载电池的储能有限，当能量从一电动汽车无线传输至另一电动汽车时，必须要有较高的功率因数。而使系统能够有较高的功率因数与系统的启动过程密不可分；只有在系统能够实现正常的自启动后，能量才能高效地进行流动。迄今为止，对双向无线电能传输的自启动过程尚未有一种完整的解决方案。目前使用的大都是通过1侧和2侧控制器之间的无线通信来实现，这一定程度上增加了系统的成本和设计的复杂度。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，使得系统能够在精确的相位要求下实现启动。

技术方案：一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，在所述双向无线电能传输系统的2侧设有由探测线圈、探测电阻R_P、开关S1串联形成的探测电路，所述探测线圈与2侧谐振线圈同轴设置；自启动方法包括电能从1侧传输到2侧的自启动控制步骤以及电能从2侧传输到1侧的自启动控制步骤；其中，电能从1侧传输到2侧的自启动控制步骤包括：

A1)，通过2侧控制器控制开关S1闭合；

A2)，通过1侧控制器控制1侧变换器输出电压U_ab幅值为并通过2侧控制器控制2侧变换器不工作，V₁为1侧变换器连接的电源电压；

A3)，采集探测电阻R_P两端电压信号并发送至2侧控制器；

A4)，2侧控制器从电压信号中得到电压U_ab相位值，然后输出驱动脉冲到2侧变换器，使2侧变换器输出电压U_cd的相位滞后电压U_ab相位90°；

A5)，通过2侧控制器控制开关S1断开，控制1侧变换器和2侧变换器开始无线电能传输状态，电能从1侧传输到2侧的自启动控制完成；

电能从2侧传输到1侧的自启动控制步骤包括：

B1)，通过2侧控制器控制开关S1闭合；

B2)，通过1侧控制器控制1侧变换器输出电压U_ab幅值为并通过2侧控制器控制2侧变换器不工作；

B3)，采集探测电阻R_P两端电压信号并发送至2侧控制器；

B4)，2侧控制器从电压信号中得到电压U_ab相位值，然后输出驱动脉冲到2侧变换器，使2侧变换器输出电压U_cd的相位超前电压U_ab相位90°；

B5)，通过2侧控制器控制开关S1断开，控制1侧变换器和2侧变换器开始无线电能传输状态，电能从2侧传输到1侧的自启动控制完成。

进一步的，2侧的谐振线圈与探测线圈的线圈半径比为2～3:1，匝数比为8～10:1。

进一步的，通过调节1侧控制器输出的驱动脉冲重叠角α来控制电压U_ab幅值大小。

有益效果：本发明提供的一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，结合双向无线电能传输系统的启动方法，利用探测线圈探测某一侧的相关参数，并将其作为另一侧控制器的输入，以使得系统能够以准确的相位要求实现自启动。

本发明的特点是仅利用探测线圈探测某一侧的参数来实现双向无线电能传输系统自启动的相位要求。装置简单，控制方便，不需要额外增加通信装置，误动作小，可靠性高。本发明利用系统的自身参数，能够实现系统自启动相位的精确要求，使得系统正常工作时的具有较高的功率因数、同时在系统完成自启动后，将探测电阻切除，减少了由于探测线圈与强磁场耦合而产生的附加损耗。

附图说明

图1为双向无线电能传输系统结构图；

图2为1侧2侧及探测线圈的结构图；

图3为系统启动时的系统等效电路图；

图4为基于驱动脉冲重叠角控制的电能变换器输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，其双向无线电能传输系统的结构如图1所示，包括拓扑结构对称的1侧和2侧。1侧包括电池1、变换器1、LCL型谐振网络、控制器1；变换器1为单相全桥可逆整流器，连接电池1和LCL型谐振网络；LCL型谐振网络包括串联滤波电感L_m、并联电容C₁以及线圈L₁。2侧包括电池2、变换器2、控制器2、LCL型谐振网络；变换器2为单相全桥可逆整流器，单相全桥可逆整流器连接电池2和LCL型谐振网络；LCL型谐振网络包括串联滤波电感L_n、并联电容C₂以及线圈L₂。2侧还包括由探测线圈、探测电阻R_P、开关S1串联形成的探测电路，探测线圈与2侧谐振线圈R_x同轴设置。控制器就选用TMS320F2812DSP为主控芯片的控制器。

本实施例中，如图2所示，1侧的圆形谐振线圈T_x和2侧圆形谐振线圈R_x具有相同的电气参数及外形结构，谐振线圈T_x和R_x分别对应图1的拓扑结构中的线圈L₁、L₂。探测线圈亦为圆形，2侧的谐振线圈R_x与探测线圈的线圈半径比为2～3:1，匝数比为8～10:1，从结构上保证探测线圈的轻便。同时探测电阻R_P选取大阻值以减小损耗；开关S1为MOS管，由2侧控制器2控制。

在1侧和2侧进行能量交互时，谐振线圈T_x和R_x之间通过互感M耦合，谐振线圈T_x和探测线圈之间通过互感M_P1耦合，谐振线圈R_x和探测线圈之间通过互感M_P2耦合。本实施例中，若探测线圈电感为L_P，系统的参数配置成L_m＝L_n＝L₁＝L₂＝L_P＝L，C₁＝C₂＝C，在系统的谐振角频率ω＝1/sqrt(LC)时，系统无线能量传输的有功功率 $P=\frac{1}{2}\frac{M}{{\mathrm{\&omega;L}}^2}{U}_{ab}{U}_{cd}sin\mathrm{\&theta;},$ 系统无线能量传输的无功功率 $Q=\frac{1}{2}\frac{M}{{\mathrm{\&omega;L}}^2}{U}_{ab}{U}_{cd}cos\mathrm{\&theta;},$ 其中，U_ab为1侧变换器1输出电压，U_cd为2侧变换器2输出电压，θ为U_ab和电压U_cd之间的相位差。根据上式，当电能从1侧流向2侧时，要求电压U_ab的相位超前电压U_cd的相位，即θ>0，且当θ＝90°时，无功功率Q＝0，有功功率达到最大，系统的功率因数为1；当电能从2侧流向1侧时，要求电压U_ab的相位滞后电压U_cd相位，即θ<0，且当θ＝﹣90°时，无功功率Q＝0，有功功率达到最大，系统的功率因数为1。

根据该原理为了使得使启动时系统能够有较高的功率因数，上述系统的自启动方法包括电能从1侧传输到2侧的自启动控制步骤以及电能从2侧传输到1侧的自启动控制步骤。其中，电能从1侧传输到2侧的自启动控制步骤包括：

A1)，通过2侧控制器控制开关S1闭合。

A2)，通过调节1侧的控制器1输出的驱动脉冲重叠角α来控制电压U_ab幅值为并通过2侧的控制器2控制变换器2不工作，V₁为1侧的电源1的电压；此时系统等效电路如图3所示。其中，将U_ab幅值控制为是因为，电动汽车车载电池正常工作时，电池电压为200～300V，为了能够实现直接将电阻R_P的电压信号输入到控制器。

A3)，电能经磁耦合从1侧传输到2侧，采集电阻R_P两端电压为：将电阻R_P两端电压信号并发送至2侧的控制器2。

A4)，2侧的控制器2从电压信号中得到电压U_ab相位值，然后输出驱动脉冲到变换器2，使变换器2输出电压U_cd的相位滞后电压U_ab相位90°，以满足启动相位要求。

A5)，通过2侧控制器控制开关S1断开，控制1侧变换器和2侧变换器开始无线电能传输状态，电能从1侧传输到2侧的自启动控制完成。这里需要说明的是，采集电阻R_P两端电压的相位值，实际上是因为电阻R_P电压继承了电压U_ab的相关信息，包括电压的幅值和相角。那么只要2侧控制器能够检测到电阻R_P电压的波谷值点，此时开启2变换器，就可以使得2侧的变换器输出电压U_cd的相位滞后电压U_ab相位90°。

电能从2侧传输到1侧的自启动控制步骤包括：

B1)，通过2侧控制器控制开关S1闭合。

B2)，通过调节1侧的控制器1输出的驱动脉冲重叠角α来控制电压U_ab幅值为并通过2侧的控制器2控制2侧变换器不工作。

B3)，电能经磁耦合从1侧传输到2侧，采集电阻R_P两端电压将电阻R_P两端电压信号并发送至2侧的控制器2。

B4)，2侧的控制器2从电压信号中得到电压U_ab相位值，然后输出驱动脉冲到变换器2，使变换器2输出电压U_cd的相位超前电压U_ab相位90°，以满足启动相位要求。

B5)，通过2侧控制器控制开关S1断开，控制1侧变换器和2侧变换器开始无线电能传输状态，电能从2侧传输到1侧的自启动控制完成。当系统启动完成并转入正常工作时，M_P2是比较大的，因此要断开S1切除电阻，避免由于M_P2的耦合带来的电阻损耗。

其中，完成启动后控制探测电阻R_P从电路中断开是为了消除由探测电阻R_P带来的附加损耗，同时1侧和2侧的电压转入正常工作电压以执行能量的高效无线传输。

如图4所示，本发明方法利用控制器1来控制1侧的单相全桥可逆整流器的驱动脉冲重叠角α来调节电压U_ab的幅值大小。驱动脉冲重叠角α可从0°连续变化至180°，相应地，U_ab的有效值从连续变化至0。对单相全桥可逆整流器输出电压U_ab的调整是通过调整u_aN1和u_bN1的电压相位重叠角实现的，定义单相全桥可逆整流器的两个输出口为点a、b，点N1为电池1的负极，u_aN1为点a与点N1之间的电压，u_bN1为点b与点N1之间的电压。

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 (3)

1.一种基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，其特征在于：在所述双向无线电能传输系统的2侧设有由探测线圈、探测电阻R_P、开关S1串联形成的探测电路，所述探测线圈与2侧谐振线圈同轴设置；自启动方法包括电能从1侧传输到2侧的自启动控制步骤以及电能从2侧传输到1侧的自启动控制步骤；其中，电能从1侧传输到2侧的自启动控制步骤包括：

A1)，通过2侧控制器控制开关S1闭合；

A2)，通过1侧控制器控制1侧变换器输出电压U_ab幅值为并通过2侧控制器控制2侧变换器不工作，V₁为1侧变换器连接的电源电压；

A3)，采集探测电阻R_P两端电压信号并发送至2侧控制器；

A4)，2侧控制器从电压信号中得到电压U_ab相位值，然后输出驱动脉冲到2侧变换器，使2侧变换器输出电压U_cd的相位滞后电压U_ab相位90°；

A5)，通过2侧控制器控制开关S1断开，控制1侧变换器和2侧变换器开始无线电能传输状态，电能从1侧传输到2侧的自启动控制完成；

电能从2侧传输到1侧的自启动控制步骤包括：

B1)，通过2侧控制器控制开关S1闭合；

B2)，通过1侧控制器控制1侧变换器输出电压U_ab幅值为并通过2侧控制器控制2侧变换器不工作；

B3)，采集探测电阻R_P两端电压信号并发送至2侧控制器；

B4)，2侧控制器从电压信号中得到电压U_ab相位值，然后输出驱动脉冲到2侧变换器，使2侧变换器输出电压U_cd的相位超前电压U_ab相位90°；

B5)，通过2侧控制器控制开关S1断开，控制1侧变换器和2侧变换器开始无线电能传输状态，电能从2侧传输到1侧的自启动控制完成。

2.根据权利要求1所述的基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，其特征在于：2侧的谐振线圈与探测线圈的线圈半径比为2～3:1，匝数比为8～10:1。

3.根据权利要求1或2所述的基于探测线圈检测的双向无线电能传输系统自启动方法，其特征在于：通过调节1侧控制器输出的驱动脉冲重叠角α来控制电压U_ab幅值大小。