CN105553122A - 一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法，对影响系统功率因数和传输效率的关键参数进行实时在线监测来掌握其动态变化，为系统在较高的功率因数和传输效率下进行能量互动提供了一定的保证。具体利用放置在双向无线电能传输系统1、2侧谐振线圈中间点处的监测线圈及与之串联的监测电阻作为监测平台本身，以监测线圈与两个谐振线圈的互感为媒介来获取系统变换器1、2侧变换器输出电压的幅值比和相位差，具体是通过监测电阻的电压相量来间接反映。该监测平台能够在参数变化较大范围内对其进行监测，同时参数监测结果具有较高的精度。

Description

一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法

技术领域

本发明涉及一种双向无线电能传输系统参数监测平台，尤其适用于对系统关键参数进行实时监测的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，当能量无线传输至另一电动汽车时，必须要有较高的功率因数和传输效率。而使系统能够在较高的功率因数和传输效率下进行能量互动，这与对影响系统功率因数和传输效率关键参数的实时监测密不可分。只有实时掌握影响系统功率因数和传输效率关键参数的动态变化才能做出相应的控制措施使得系统在运行过程中始终具有较高的功率因数和传输效率。

迄今为止，还未出现一种能够对系统关键参数进行实时监测的简单方法。目前，出现的参数监测方式大都是在需要监测的关键参数处装设检测装置，并通过通信设备传输监测参数。这无疑增加了系统的设计难度和复杂度，同时也增加了系统的总体技术成本和经济成本。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法，对双向无线电能传输系统1侧控制器输出电压U_ab和2侧控制器输出电压U_cd的电压比和相角差变化进行实时监测。

技术方案：一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法，所述双向无线电能传输系统包括相对平行设置的1侧谐振线圈T_x和2侧谐振线圈R_x，所述谐振线圈T_x和R_x均为半径均为r的圆形线圈，线圈匝数均为N；所述双参数监测方法基于的监测平台包括串联的圆形监测线圈和监测电阻，所述圆形监测线圈设置在谐振线圈T_x和R_x中间位置，所述监测线圈的半径为(1/3～1/2)r，匝数n满足N:n＝3～5:1，监测电阻的阻值R满足R:ωL＝10～15:1，ω为系统的谐振角频率，L为监测线圈电感值；以所述谐振线圈T_x和谐振线圈R_x圆心连线的中点为原点，建立空间直角坐标系，监测线圈的位置为：沿x轴或z轴偏移，或以原点为中心绕z轴旋转偏移，或以原点为中心绕x轴旋转偏移；

所述双参数监测方法包括对双向无线电能传输系统1侧控制器输出电压U_ab和2侧控制器输出电压U_cd的电压比和相角差进行监测，包括如下步骤：

首先，根据监测平台的设置计算出监测线圈与谐振线圈T_x、R_x的互感分别为M₁和M₂；在双向无线电能传输系统运行时，控制U_cd保持在某一电压值，获取监测电阻两端的电压波形；然后以U_cd为基准，对电压波形进行傅里叶变换，得到所述监测电阻的电压相量其中θ为电压U_ab和电压U_cd之间的相角差，系数k₁＝ω²M₁C₁，系数k₂＝ω²M₂C₂，C₁、C₂分别为双向无线电能传输系统1侧和2侧的LCL型谐振网络中的电容值，并满足C₁＝C₂；

对所述电压相量进行处理：定义相量则相量的幅值 $B=\sqrt{{\left(k_1{U}_{ab}cos\right(\mathrm{\θ})+k_2{U}_{cd})}^2+{\left(k_1{U}_{ab}sin\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^2},tan\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{k_1{U}_{ab}sin\left(\mathrm{\θ}\right)}{k_1{U}_{cd}cos\left(\mathrm{\θ}\right)+k_2{U}_{cd}},$ δ为其相角；由于k₁＝k₂，则定义相量 ${\stackrel{\·}{B}}^{\′}=\stackrel{\·}{B}/\left(k_2{U}_{cd}\right),$ 其幅值 $B^{\′}=\frac{B}{k_2{U}_{cd}}=\sqrt{{\left(\mathrm{\σ}cos\right(\mathrm{\θ})+1)}^2+{\left(\mathrm{\σ}sin\right(\mathrm{\θ}\left)\right)}^2},$ 相量与B'的相角一致，则其中σ＝U_ab/U_cd，σ即为电压U_ab和电压U_cd的电压比；实时监测B'和δ的变化即可实现对相角差θ和电压比σ的变化的实时监测。

有益效果：本发明的一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法，对影响系统功率因数和传输效率的关键参数进行实时在线监测来掌握其动态变化，为系统在较高的功率因数和传输效率下进行能量互动提供了一定的保证。

本发明的特点是利用放置在1、2侧谐振线圈中间点处的监测线圈及与之串联的监测电阻作为监测平台本身，以监测线圈与两个谐振线圈的互感为媒介来获取系统变换器1、2侧变换器输出电压的幅值比和相位差，具体是通过监测电阻的电压相量来间接反映。监测线圈的位置相对原点偏移并在上述的四自由度内时，其任意方向下互感的变化对监测系统两侧电压比没有任何精度上的影响。同时，监测线圈的半径设为(1/3～1/2)r，匝数为n<<N，较小的线圈半径即匝数是为了保证相对较高的监测精度，同时降低监测线圈的引入给双向无线电能传输系统本身带来不利影响；同时为了尽可能减少监测电阻的耗能，R>>ωL。

本发明所设计的参数监测平台具有结构简单，监测参数多，多自由度，对系统不利影响小的特点，而且能够在不增加系统设计难度的前提下进行应用，避免了目前采用装设检测装置测量参数的方法，解决了双向无线电能传输系统多参数在线实时监测的问题，能够在参数变化较大范围内对其进行监测，同时参数监测结果具有较高的精度。

附图说明

图1为本发明方法基于的监测平台的电气原理图；

图2为谐振线圈和监测线圈的放置图；

图3为监测线圈沿x轴偏移的结构图；

图4为监测线圈沿z轴偏移的结构图；

图5为监测线圈绕z轴旋转偏移的结构图；

图6为监测线圈绕x轴做旋偏移的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

图1为双向无线电能传输系统结构及参数监测电路图。1侧包括电池V1、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V1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L₁₁。2侧包括电池V2、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L₂₁，并将电容C₁和C₂值配置成一致。

在进行双向无线电能传输控制研究实验时，拓扑结构中的线圈L₁₁和线圈L₂₁分别对应图2中1侧的圆形谐振线圈T_x和2侧的圆形谐振线圈R_x，谐振线圈T_x和R_x具有相同的电气参数及外形结构，其线圈半径均为r，线圈匝数均为N。谐振线圈T_x和谐振线圈R_x相对并同轴设置，两者距离为d。

检测平台包括串联的监测线圈和监测电阻；监测线圈也为圆形，其半径为(1/3～1/2)r，匝数n满足N:n＝3～5:1，监测电阻的阻值R满足R:ωL＝10～15:1。假设监测线圈的初始位置是竖直设置在谐振线圈T_x和谐振线圈R_x中间点处，以谐振线圈T_x和谐振线圈R_x圆心连线的中点为原点，建立空间直角坐标系，监测线圈的实际位置可以是相对初始位置沿x轴或z轴偏移一距离，但满足监测线圈整体位于两个谐振线圈相对形成的柱状空间内，如图3、4所示；或以原点为中心绕z轴旋转偏移一角度，形成β转角，如图5所示；或以原点为中心绕x轴旋转偏移一角度，形成γ转角，如图6所示。

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和监测线圈之间通过互感M₁耦合，谐振线圈R_x和监测线圈之间通过互感M₂耦合。本实施例中，系统的参数配置成电感值L_m＝L₁₁＝L₁，电感值L_n＝L₂₁＝L₂。在系统的谐振角频率ω＝1/sqrt(L₁C₁)＝1/sqrt(L₂C₂)时，其无线能量传输的有功功率系统无线能量传输的无功功率其中，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为电压U_ab和电压U_cd之间的相角差。从以上功率表示式分析可得，电压U_ab和电压U_cd以及相角差θ是影响传输功率的关键因素，因此，对其进行实时在线监测具有重要的意义。

在1侧和2侧进行能量交互时，由于监测线圈与1侧谐振线圈Tx及与2侧谐振线圈Rx的耦合作用，根据对上述的电路拓扑关系分析可得到监测电阻上的电压为：其中，L为监测线圈的电感值，R为监测电阻的阻值，参数k₁＝ω²M₁C₁，参数k₂＝ω²M₂C₂；互感M₁和M₂可根据监测线圈的实际位置利用纽曼公式进行计算得到，进一步确定k₁和k₂的值，且k₁＝k₂。

以2侧变换器输出电压U_cd为基准，假设U_cd的相角为0，则1侧变换器输出电压U_ab的相角为θ；同时，监测线圈电感值L和监测电阻R的取值已知，且由于R>>ωL，使得R/sqrt(R²+(ωL)²)≈1，那么监测电阻的电压相量表示成“幅值—相角”形式即为：其中参数Y＝1/sqrt(R²+(ωL)²)，相角α≈0；进一步的，电压相量 ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_R\&ap;k_1{U}_{ab}\&angle;\mathrm{\&theta;}+k_2{U}_{cd}\&angle;0.$ 令相量 $\stackrel{\&CenterDot;}{B}=k_1{U}_{ab}\&angle;\mathrm{\&theta;}+k_2{U}_{cd}\&angle;0=B\&angle;\mathrm{\&delta;},$ 则相量的幅值 $B=\sqrt{{\left(k_1{U}_{ab}\cos \right(\mathrm{\&theta;})+k_2{U}_{cd})}^2+{\left(k_1{U}_{ab}\sin \right(\mathrm{\&theta;}\left)\right)}^2},\tan \left(\mathrm{\&delta;}\right)=\frac{k_1{U}_{ab}\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)}{k_1{U}_{cd}\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)+k_2{U}_{cd}},$ δ为其相角。

在进行双向无线电能传输控制研究实验时，控制2侧变换器输出电压U_cd保持不变，监测线圈的位置保持不变，通过采集监测电阻两端的电压波形并对其进行傅里叶变换后，得到电压相量实际值。

因电压U_cd已知，且k₁＝k₂，则定义相量其幅值分析可得相量与B'的相角一致，则其中σ＝U_ab/U_cd，σ即为电压U_ab和电压U_cd的电压比。由于幅值B'与相角δ的变化是相互独立的，那么通过实时监测B'和δ的变化即可实时监测相角差θ和电压比σ的变化。

在实际使用中，通过采集监测电阻上的电压波形，并利用DSP2812对该电压信号进行傅里叶分析；同时还向控制器输入互感M₁和M₂的值及次级端电压值，那么根据傅里叶分析结果，即电压的幅值的归一量B'和相角δ这两个独立变量来监测相角差θ及电压比σ的变化。

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)

1.一种四自由度双向无线电能传输系统双参数监测方法，其特征在于：所述双向无线电能传输系统包括相对平行设置的1侧谐振线圈T_x和2侧谐振线圈R_x，所述谐振线圈T_x和R_x均为半径均为r的圆形线圈，线圈匝数均为N；所述双参数监测方法基于的监测平台包括串联的圆形监测线圈和监测电阻，所述圆形监测线圈设置在谐振线圈T_x和R_x中间位置，所述监测线圈的半径为(1/3～1/2)r，匝数n满足N:n＝3～5:1，监测电阻的阻值R满足R:ωL＝10～15:1，ω为系统的谐振角频率，L为监测线圈电感值；以所述谐振线圈T_x和谐振线圈R_x圆心连线的中点为原点，建立空间直角坐标系，监测线圈的位置为：沿x轴或z轴偏移，或以原点为中心绕z轴旋转偏移，或以原点为中心绕x轴旋转偏移；

所述双参数监测方法包括对双向无线电能传输系统1侧控制器输出电压U_ab和2侧控制器输出电压U_cd的电压比和相角差进行监测，包括如下步骤：

首先，根据监测平台的设置计算出监测线圈与谐振线圈T_x、R_x的互感分别为M₁和M₂；在双向无线电能传输系统运行时，控制U_cd保持在某一电压值，获取监测电阻两端的电压波形；然后以U_cd为基准，对电压波形进行傅里叶变换，得到所述监测电阻的电压相量其中θ为电压U_ab和电压U_cd之间的相角差，系数k₁＝ω²M₁C₁，系数k₂＝ω²M₂C₂，C₁、C₂分别为双向无线电能传输系统1侧和2侧的LCL型谐振网络中的电容值，并满足C₁＝C₂；

对所述电压相量进行处理：定义相量则相量的幅值 $B=\sqrt{{\left(k_1{U}_{ab}cos\right(\mathrm{\&theta;})+k_2{U}_{cd})}^2+{\left(k_1{U}_{ab}sin\right(\mathrm{\&theta;}\left)\right)}^2},tan\left(\mathrm{\&delta;}\right)=\frac{k_1{U}_{ab}sin\left(\mathrm{\&theta;}\right)}{k_1{U}_{cd}cos\left(\mathrm{\&theta;}\right)+k_2{U}_{cd}},$ δ为其相角；由于k₁＝k₂，则定义相量 ${\stackrel{\&CenterDot;}{B}}^{\&prime;}=\stackrel{\&CenterDot;}{B}/\left(k_2{U}_{cd}\right),$ 其幅值 $B^{\&prime;}=\frac{B}{k_2{U}_{cd}}=\sqrt{{\left(\mathrm{\&sigma;}cos\right(\mathrm{\&theta;})+1)}^2+{\left(\mathrm{\&sigma;}sin\right(\mathrm{\&theta;}\left)\right)}^2},$ 相量与B'的相角一致，则其中σ＝U_ab/U_cd，σ即为电压U_ab和电压U_cd的电压比；实时监测B'和δ的变化即可实现对相角差θ和电压比σ的变化的实时监测。