CN105978169B - 一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法。该方法利用发送端电路谐振时，发送线圈的电流有效值与发送端直流侧电源电流有效值比值最小的原理来动态的跟踪发送端电路的谐振频率，即通过不断微调逆变器工作频率跟踪发送线圈的电流有效值与发送端直流侧电源电流有效值比值，使得该电流比值实时动态的处于最小值，从而实现频率跟踪动态调谐，使得发送端电路处于或接近完全谐振的状态，以提高发送端电路的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。且其电路的复杂程度低，实施成本低，易于推广。

Description

一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法。

背景技术

无线电能传输技术，是一种新兴的电能传输技术，其应用广泛，如电动汽车、医疗器械、照明、水下探测等等。无线电能传输技术极大的提高了用电设备的供电灵活性，同时避免了传统接触式供电方式的火花、磨损等问题，提高了设备的供电安全性，因而具备极大的发展潜力。

感应式无线电能传输技术较其它无线电能传输技术，能够更好的进行短距离的大功率传输，有着更好的发展和应用前景。感应式无线电能传输装置由发送端和接收端两部分组成。

第一部分是感应式无线电能传输装置的发送端，其组成及功能主要是：发送端直流电源提供直流电压，随后由逆变器将直流电逆变成高频交流电，高频交流电在发送线圈中流动产生高频交变磁场；第二部分是感应式无线电能传输装置的接收端，其组成及功能主要是：接收端的接收线圈感应到发送线圈产生的高频交变磁场，在接收线圈中感应出高频的交流电，高频交流电经过整流器整流成直流电提供给负载，完成电能的无线传输。

感应式无线电能传输的关键问题在于，接收线圈和发送线圈之间的能量传输，当感应式无线电能传输装置的发送端和接收端电路都处于谐振状态且谐振频率相同时，装置的传输功率和传输效率达到最大。由于发送线圈与接收线圈存在一定的气隙，二者为松耦合结构，使得发送线圈与接收线圈的漏感很大，同时，温度、湿度等因素均会使线路的阻抗发生变化；从而导致了发送线圈无功功率的增加，降低了电能的传输功率和效率。

为了提高无线电能传输装置的传输功率和效率，目前现有发送端调谐装置有通过电容阵列的方法，对发送端线圈漏感进行补偿使其工作在谐振频率上。但由于电容阵列只能工作在有限个离散的电容值点上，调节范围有限，不能实现连续的无级精确调谐。同时，也有采用频率跟踪算法来实现谐振频率的跟踪，但现有的频率跟踪算法大多采用硬件电路对逆变电压和电流相位差进行测量，再进行逆变器的频率跟踪控制，但由于噪声等因素的影响，会导致逆变电压、电流的相位差测量出现误差，不易使装置处于谐振状态，并且增加了电路的复杂程度，成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于最小电流比值的无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法，该方法能对无线电能传输设备发送端的工作频率实现连续的无级精确调谐，使得发送端电路更精确地接近完全谐振状态，发送端的有功功率高，无线电能传输设备的传输功率和效率高；且其电路的复杂程度低，实施成本低，易于推广。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法，包括以下步骤：

A、初始时，控制器将逆变器的额定频率设为当前频率f₀，并由控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；

B、控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀，

C、控制器将当前频率f₀加上设定的频率调节量Δf，得到较大频率f₁，f₁＝f₀+Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较大频率f₁；控制器接收到发送端直流侧在较大频率下的电源电流有效值I_D1，同时接收到在较大频率下的发送线圈电流有效值I_A1，进而计算出较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，

D、如果当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀大于较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，即η₀＞η₁；则令当前工作频率f₀＝f₁，转E步；否则，将当前工作频率f₀减去设定频率调节量Δf，得到较小频率f₂，f₂＝f₀-Δf，再令f₀＝f₂，转H步；

E、控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；同时，控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀，

F、控制器将当前频率f₀加上频率调节量Δf，得到较大频率f₁，f₁＝f₀+Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较大频率f₁；控制器接收到发送端直流侧在较大频率下的电源电流有效值I_D1，同时接收到在较大频率下的发送线圈电流有效值I_A1，进而计算出较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，

G、如果当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀大于较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，即η₀＞η₁，则令当前工作频率f₀＝f₁，转E步；否则，转K步；

H、控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；同时，控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀，

I、控制器将当前频率f₀减去设定频率调节量Δf，得到较小频率f₂，f₂＝f₀-Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较小频率f₂；控制器接收到发送端直流侧在较小频率下的电源电流有效值I_D2，同时接收到在较小频率下的发送线圈电流有效值I_A2，进而计算出较小频率下的线圈电流与电源电流比值η₂，

J、如果当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀大于较小频率下的线圈电流与电源电流比值η₂，即η₀＞η₂；则令当前工作频率f₀＝f₂，转H步；否则，转K步；

K、控制器记录当前频率f₀，并将当前频率f₀设定为无线电能传输设备发送端的工作频率，本次逆变器的频率跟踪动态调谐过程结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明不需要额外增加发送端电压、电流的相位检测电路，只需检测发送端直流侧电源的电流有效值和发送线圈的电流有效值，根据电流比值是否最小就能判断发送端电路是否工作在谐振状态；具有装置简单、价格低廉、稳定性强、易于推广等优点。

二、工作频率变化时，发送线圈电流有效值与直流侧电源电流有效值比值会发生相应变化，当该比值处于最小时，其对应的频率即为谐振频率。本发明通过频率扰动跟踪逼近方法，找出发送线圈电流有效值与直流侧电源电流有效值的最小比值，从而找到系统的谐振频率，进而实现对发送端工作频率的连续、无级、精确调谐，使得发送端电路更精确地接近完全谐振状态，发送端的有功功率高，无线电能传输设备的传输功率和效率高。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的一种具体实施方式是，一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法，包括以下步骤：

A、初始时，控制器将逆变器的额定频率设为当前频率f₀，并由控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；

B、控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀，

C、控制器将当前频率f₀加上设定的频率调节量Δf，得到较大频率f₁，f₁＝f₀+Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较大频率f₁；控制器接收到发送端直流侧在较大频率下的电源电流有效值I_D1，同时接收到在较大频率下的发送线圈电流有效值I_A1，进而计算出较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，

D、如果当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀大于较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，即η₀＞η₁；则令当前工作频率f₀＝f₁，转E步；否则，将当前工作频率f₀减去设定频率调节量Δf，得到较小频率f₂，f₂＝f₀-Δf，再令f₀＝f₂，转H步；

E、控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；同时，控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀，

F、控制器将当前频率f₀加上频率调节量Δf，得到较大频率f₁，f₁＝f₀+Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较大频率f₁；控制器接收到发送端直流侧在较大频率下的电源电流有效值I_D1，同时接收到在较大频率下的发送线圈电流有效值I_A1，进而计算出较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，

G、如果当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀大于较大频率下的线圈电流与电源电流比值η₁，即η₀＞η₁，则令当前工作频率f₀＝f₁，转E步；否则，转K步；

H、控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；同时，控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀，

I、控制器将当前频率f₀减去设定频率调节量Δf，得到较小频率f₂，f₂＝f₀-Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较小频率f₂；控制器接收到发送端直流侧在较小频率下的电源电流有效值I_D2，同时接收到在较小频率下的发送线圈电流有效值I_A2，进而计算出较小频率下的线圈电流与电源电流比值η₂，

J、如果当前频率下的线圈电流与电源电流比值η₀大于较小频率下的线圈电流与电源电流比值η₂，即η₀＞η₂；则令当前工作频率f₀＝f₂，转H步；否则，转K步；

K、控制器记录当前频率f₀，并将当前频率f₀设定为无线电能传输设备发送端的工作频率，本次逆变器的频率跟踪动态调谐过程结束。

Claims (1)

1.一种无线电能传输设备发送端频率跟踪的动态调谐方法，包括以下步骤：

A、初始时，控制器将逆变器的额定频率设为当前频率f₀，并由控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；

B、控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₀，

C、控制器将当前频率f₀加上设定的频率调节量Δf，得到较大频率f₁，f₁＝f₀+Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较大频率f₁；控制器接收到发送端直流侧在较大频率下的电源电流有效值I_D1，同时接收到在较大频率下的发送线圈电流有效值I_A1，进而计算出较大频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₁，

D、如果当前频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₀大于较大频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₁，即η₀＞η₁；则令当前工作频率f₀＝f₁，转E步；否则，将当前工作频率f₀减去设定频率调节量Δf，得到较小频率f₂，f₂＝f₀-Δf，再令f₀＝f₂，转H步；

E、控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；同时，控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₀，

F、控制器将当前频率f₀加上频率调节量Δf，得到较大频率f₁，f₁＝f₀+Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较大频率f₁；控制器接收到发送端直流侧在较大频率下的电源电流有效值I_D1，同时接收到在较大频率下的发送线圈电流有效值I_A1，进而计算出较大频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₁，

G、如果当前频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₀大于较大频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₁，即η₀＞η₁，则令当前工作频率f₀＝f₁，转E步；否则，转K步；

H、控制器控制逆变器的工作频率为当前频率f₀；同时，控制器接收到发送端直流侧在当前频率下的电源电流有效值I_D0，同时接收到在当前频率下的发送线圈电流有效值I_A0，进而计算出当前频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₀，

I、控制器将当前频率f₀减去设定频率调节量Δf，得到较小频率f₂，f₂＝f₀-Δf，控制器控制逆变器的工作频率为较小频率f₂；控制器接收到发送端直流侧在较小频率下的电源电流有效值I_D2，同时接收到在较小频率下的发送线圈电流有效值I_A2，进而计算出较小频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₂，

J、如果当前频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₀大于较小频率下的发送线圈电流有效值与电源电流有效值比值η₂，即η₀＞η₂；则令当前工作频率f₀＝f₂，转H步；否则，转K步；

K、控制器记录当前频率f₀，并将当前频率f₀设定为无线电能传输设备发送端的工作频率，本次逆变器的频率跟踪动态调谐过程结束。