CN105871078A - 采用测量线圈技术的感应电能传输系统调谐装置及其调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用测量线圈技术的感应电能传输系统调谐装置及其调谐方法，利用副边回路谐振时，测量线圈两端电压与原边线圈电流的相位差为零的原理来动态调节原边逆变器的工作频率。采用本发明避免了难以对副边线圈感应电压进行测量的难题，省去了高速通信过程，降低了逆变器输出电流和原边回路的电能损耗，提高了系统电能传输的效率，调谐更加精确和可靠。本发明的方法能实现更高精度的调谐，使副边回路更接近理想的谐振状态，更好地提高无线电能传输设备的传输效率。

Description

采用测量线圈技术的感应电能传输系统调谐装置及其调谐方法
技术领域
本发明涉及感应电能传输领域，尤其是感应电能传输设备中的调谐装置及其调谐方法。
背景技术
感应电能传输作为一种新型的能量传输方式，能有效地克服传统电能传输方式存在的易出现接触火花、容易积碳与易受环境影响的问题，基于感应电能传输的优点，目前该技术已被广泛应用于手机设备充电、室内设备充电、轨道交通等领域，受到了国内外专家学者的广泛关注。
感应电能传输系统由原边和副边构成，直流电输入到原边，经过逆变桥将直流电进行逆变得到高频交流电，通过松耦合变压器将高频交流电传输至副边，副边接收得到的高频交流电，经过整流桥整流得到直流电，再供给负载，实现能量的无线传输。
随着感应电能传输技术向高效、稳定、大功率的方向发展，提高电能传输的效率成了人们愈来愈关注的问题。当副边回路呈谐振状态时，同等输出功率下，系统原边回路电流较小，回路损耗较小，系统的能量传输效率较高。然而由于受到负载变化、元件参数变化、气隙距离变化以及外部环境的影响，副边回路呈现不谐振状态，回路中的负载分压变小，为保证负载电压恒定不变，需要更大的原边回路电流，增大了原边回路的损耗，降低了系统的能量传输效率。
现有的效率优化方法一种是在副边加入动态调谐装置的方法，通过控制副边的等效阻抗，使副边回路达到谐振状态，然而这种方法需要加入多余的控制器和调谐装置，增加了系统的复杂程度，并且在系统正常工作时，难以直接测量副边线圈感应电压，进而难以判别副边回路是否处于谐振状态。另一种是基于扰动-观察法对多参数变化的系统进行效率优化，通过不断调整变换器导通角来实时搜索系统最大效率工作点，但是由于系统的电感电容参数较多，有可能出现多个谐振点，容易导致频率分叉现象，出现扰动不到谐振点的现象；并且系统效率在谐振与不谐振条件下的对比不很明显时，控制器难以对谐振状态进行判别，难以达到谐振状态。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种采用测量线圈的感应电能传输系统调谐装置，该装置能使设备保持在原边线圈电流与测量电路两端电压相位差为零的情况下运行，即副边回路保持或接近谐振状态，使逆变器输出电流和原边回路的电能损耗降低，提高系统的电能传输效率。
本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是：一种采用测量线圈技术的感应电能传输系统调谐装置，设置在感应电能传输系统的原边侧，其特征在于：
感应电能传输系统发送端的原边线圈(Lp)处并绕一个测量线圈(La)，原边线圈(Lp)与测量线圈(La)之间的互感为Mpa；在原边电路与测量电路之间增加一个紧耦合变压器(M)，紧耦合变压器(M)由与原边线圈(Lp)串联的一侧线圈(La＇)和与测量线圈(La)串联的一侧线圈(La＂)组成，且其原、副边线圈的互感大小为-Mpa；
原边线圈(Lp)上串联一个电流传感器(IR)；在由测量线圈(La)与紧耦合变压器(M)的一侧线圈(La＂)组成的测量电路的两端并联一个电压传感器(UR)；逆变器(N)的控制端、电流传感器(IR)的输出端和电压传感器(UR)的输出端均与调谐控制器(KR)相连。
本发明的第二目的是提供一种使用上述调谐装置来进行调谐的方法，该方法能更方便快速地实现副边回路的调谐，提高感应电能传输设备的传输效率。
本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是：一种采用上述装置的感应电能传输的调谐方法，包含如下的步骤：
A、初始时，设定逆变器(N)的额定工作频率为当前工作频率f0；
B、发送端控制器控制逆变器(N)的当前工作频率为初始频率f0，电流传感器(IR)检测出原边线圈(Lp)的电流瞬时值Ir，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电流瞬时值Ir记为当前电流瞬时值I0；电压传感器(UR)检测出测量线圈(La)的两端电压瞬时值Ur，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电压瞬时值Ur记为当前电压瞬时值U0；将U0和I0传送给调谐控制器(KR)并以电压U0为参考计算得到两者的相位差θ0；
C、比较B步计算得到的当前电压瞬时值U0与当前电流瞬时值I0的相位差θ0与零的关系，调谐控制器(KR)对逆变器的工作频率进行调节：
当θ0＞0时，副边回路呈阻容性，跟据设定的逆变器(N)工作频率调节量Δf，得到一个较大的工作频率f1，f1＝f0+Δf，令f0＝f1，转B步；
当θ0＜0时，副边回路呈阻感性，跟据设定的逆变器(N)工作频率调节量Δf，得到一个较小的工作频率f2，f2＝f0‐Δf，令f0＝f2，转B步；
当θ0＝0时，副边回路呈谐振状态，直接转B步。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、在感应电能传输系统中，由于受到负载变化、元件参数变化、气隙距离变化以及外部环境的影响，系统的副边回路易呈不谐振状态，导致回路中的负载分压变小；为保证负载电压恒定不变，则需要更大的原边回路电流，增大了原边回路的损耗，降低了系统的能量传输效率。本发明采用在原边线圈处并绕一个测量线圈的方法，对测量电路两端电压和原边线圈电流进行测量，通过对测量电路两端电压和原边线圈电流进行矢量计算得到两者的相位差，再以相位差为反馈量，控制逆变器的输出电压频率，使副边回路保持或接近谐振状态，降低原边回路电流，提高系统的能量传输效率。
二、本发明通过记录逆变器的工作频率及通过测试测量电路两端电压和原边线圈电流的瞬时值，经过矢量计算得到测量电路两端电压和原边线圈电流的相位差。根据得到的两者相位差与零的大小关系，将逆变器的工作频率分别向较大、较小或保持不变的偏移设定的调节量，使逆变器分别工作在较小工作频率、较大工作频率和初始工作频率条件下，再以调整后的工作频率作为逆变器的当前工作频率。通过这样的一次或多次重复即可使测量电路两端电压和原边线圈电流的相位差为零，从而使副边回路实时、动态地处于谐振状态或者谐振状态附近。
本发明利用副边回路谐振时，测量电路两端电压和原边线圈电流的相位差为零的原理来动态调节原边逆变器的工作频率，避免了直接对副边线圈感应电压进行测量的难题，且不需要传递副边的测量信息，故省去了高速通信过程。这种调谐方法更加方便、精确和可靠，即本发明的方法能实现更高精度的调谐，使副边回路更接近理想的谐振状态，更好地提高无线电能传输设备的传输效率。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的采用测量线圈的感应电能传输系统调谐装置的电路结构示意图。
图中编号为Z的是整流器，编号为N的是逆变器，编号为KR的是调谐控制器，编号为Lp的是原边线圈，编号为Ls的是副边线圈，编号为La的是测量线圈，编号为La＇和La＂的分别是紧耦合变压器与原边线圈串联的一侧线圈和与测量线圈串联的一侧线圈，编号为Mps的是原边线圈和测量线圈之间的互感；编号为-Mps的是紧耦合变压器的原、副边线圈之间的互感，编号为RR的是负载电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详述。
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式是，采用测量线圈技术的感应电能传输系统调谐装置，其具体结构为:
感应电能传输系统发送端的原边线圈(Lp)处并绕一个测量线圈(La)，原边线圈(Lp)与测量线圈(La)之间的互感为Mpa，并在原边电路与测量电路之间增加一个紧耦合变压器(M)，紧耦合变压器(M)由与原边线圈(Lp)串联的一侧线圈(La＇)和与测量线圈(La)串联的一侧线圈(La＂)组成，且其原、副边线圈的互感大小为-Mpa，以使测量电路两端的电压不受原边回路电流的影响；
所述的原边线圈(Lp)上串联一个电流传感器(IR)，在由测量线圈(La)与紧耦合变压器(M)的一侧线圈(La＂)组成的测量电路的两端并联一个电压传感器(UR)，逆变器(N)的控制端、电流传感器(IR)的输出端和电压传感器(UR)的输出端均与调谐控制器(KR)相连。
使用本例的调谐装置对采用测量线圈技术的感应电能传输系统进行调谐的方法，其步骤为：
A、初始时，设定逆变器(N)的额定工作频率为当前工作频率f0；
B、发送端控制器控制逆变器(N)的当前工作频率为初始频率f0，电流传感器(IR)检测出原边线圈(Lp)的电流瞬时值Ir，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电流瞬时值Ir记为当前电流瞬时值I0；电压传感器(UR)检测出测量线圈(La)的两端电压瞬时值Ur，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电压瞬时值Ur记为当前电压瞬时值U0；将U0和I0传送给调谐控制器(KR)并以电压U0为参考计算得到两者的相位差θ0；
C、比较B步计算得到的当前电压瞬时值U0与当前电流瞬时值I0的相位差θ0与零的关系，调谐控制器(KR)对逆变器的工作频率进行调节：
当θ0＞0时，副边回路呈阻容性，跟据设定的逆变器(N)工作频率调节量Δf，得到一个较大的工作频率f2，f2＝f0+Δf，令f0＝f2，转B步；
当θ0＜0时，副边回路呈阻感性，跟据设定的逆变器(N)工作频率调节量Δf，得到一个较小的工作频率f1，f1＝f0‐Δf，令f0＝f1，转B步；
当θ0＝0时，副边回路呈谐振状态，直接转B步。

Claims (2)

1.一种采用测量线圈技术的感应电能传输系统调谐装置，设置在感应电能传输系统的原边侧，其特征在于：
感应电能传输系统发送端的原边线圈(Lp)处并绕一个测量线圈(La)，原边线圈(Lp)与测量线圈(La)之间的互感为Mpa；在原边电路与测量电路之间增加一个紧耦合变压器(M)，紧耦合变压器(M)由与原边线圈(Lp)串联的一侧线圈(La＇)和与测量线圈(La)串联的一侧线圈(La＂)组成，且其原、副边线圈的互感大小为-Mpa；
原边线圈(Lp)上串联一个电流传感器(IR)；在由测量线圈(La)与紧耦合变压器(M)的一侧线圈(La＂)组成的测量电路的两端并联一个电压传感器(UR)；逆变器(N)的控制端、电流传感器(IR)的输出端和电压传感器(UR)的输出端均与调谐控制器(KR)相连。
2.采用权利要求1所述装置的感应电能传输的调谐方法，其特征在于，包含如下的步骤：
A、初始时，设定逆变器(N)的额定工作频率为当前工作频率f0；
B、发送端控制器控制逆变器(N)的当前工作频率为初始频率f0，电流传感器(IR)检测出原边线圈(Lp)的电流瞬时值Ir，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电流瞬时值Ir记为当前电流瞬时值I0；电压传感器(UR)检测出测量线圈(La)的两端电压瞬时值Ur，传送给调谐控制器(KR)，调谐控制器(KR)将收到的电压瞬时值Ur记为当前电压瞬时值U0；将U0和I0传送给调谐控制器(KR)并以电压U0为参考计算得到两者的相位差θ0；
C、比较B步计算得到的当前电压瞬时值U0与当前电流瞬时值I0的相位差θ0与零的关系，调谐控制器(KR)对逆变器的工作频率进行调节：
当θ0＞0时，副边回路呈阻容性，跟据设定的逆变器(N)工作频率调节量Δf，得到一个较大的工作频率f1，f1＝f0+Δf，令f0＝f1，转B步；
当θ0＜0时，副边回路呈阻感性，跟据设定的逆变器(N)工作频率调节量Δf，得到一个较小的工作频率f2，f2＝f0‐Δf，令f0＝f2，转B步；
当θ0＝0时，副边回路呈谐振状态，直接转B步。
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