CN105978170A - 采用电压比控制的双向无线电能传输系统效率提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过控制两侧电压比来提升双向无线电能传输系统效率的方法。该方法具备在电动汽车与电网之间或者电动汽车之间进行无线能量互动时，根据两侧谐振线圈的参数，并以某一侧的电压为基准，调节另一侧电压，以使得电能在两侧能够高效流动。该方法不仅适用于参数对称的双向无线电能传输系统，同时也适用非对称双向无线电能传输系统。

Description

采用电压比控制的双向无线电能传输系统效率提升方法

技术领域

本发明涉及一种双向无线电能传输系统能量流动效率提升的方法，适用于需要实现能量双向互动的无线电能传输领域，如无线V2G，无线V2H等应用场合。

背景技术

在双向无线电能传输领域，如何实现能量高效地在两侧之间进行互动值得研究。目前为了相对提高能量的传输效率，系统的谐振频率设置的比较高，线圈绕制的材料采用Litz线等方式，所述的这些提升效率的方法无疑带来了较高的技术成本和经济成本。随着电动汽车的规模化发展，电动汽车电池容量不免会成为电网的热备用，向电网馈电；同时在电网用电低谷时，电动汽车集中充电提高电网整体用电量，维持全电网的稳定运行。但是，就电动汽车与电网之间或者电动汽车与电动汽车之间进行能量无线互动时，还未出现一种简单易行的效率提升方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有方案的不足，本发明提出了采用电压比控制的双向无线电能传输系统效率提升方法，该方法具备在电动汽车与电网之间或者电动汽车之间进行无线能量互动时，根据两侧谐振线圈的参数，并以某一侧的电压为基准，调节另一侧电压，以使得电能在两侧能够高效流动。该方法不仅适用于参数对称的双向无线电能传输系统，同时也适用非对称双向无线电能传输系统。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双向无线电能传输系统，包括A₁侧和A₂侧；

所述A₁侧包括电池1，单相全桥变换器1，串联滤波线圈L_m及其内阻R_m，谐振线圈L_p及其内阻R_p，谐振电容C₁，同时L_m＝L_p＝L₁，R_m＝R_p＝R₁；

所述A₂侧包括电池2，单相全桥变换器2，串联滤波线圈L_n及其内阻R_n，谐振线圈L_s及其内阻R_s，谐振电容C₂，同时L_n＝L_s＝L₂，R_n＝R_s＝R₂；

所述A₁侧的谐振线圈L_p与A₂侧的谐振线圈L_s相互耦合，两者之间的互感为M；A₁侧单相全桥变换器1的出口电压为U_p，A₂侧单相全桥变换器2的出口电压为U_s，两变换器的开关角频率一致，均为ω，该角频率同时与谐振器的角频率一致，即：

ω＝1/sqrt(L₁C₁)＝1/sqrt(L₂C₂)。

本发明还提供一种采用电压比控制双向无线电能传输系统效率提升方法，具体如下：

当能量以无线方式从A₁侧流动至A₂侧时，保持电压相量U_p的相位超前电压相量U_s的相位90°，当能量以无线方式从A₂侧流动至A₁侧时，保持电压相量U_p的相位滞后电压相量U_s的相位90°，以使得系统不产生无功；

在A₁侧与A₂侧的谐振器参数完全一致时，即L₁＝L₂，R₁＝R₂时，在能量于两侧间进行无线传输时，始终保持U_p＝U_s，即U_s/U_p＝1，以使得能量传输的效率最高；在A₁侧与A₂侧的谐振参数不一致时，即L₁≠L₂，R₁≠R₂时，设L₁/L₂＝δ²，那么在能量于两侧间进行无线传输时，保持U_s/U_p＝g(δ)，以使得能量传输的效率最高；其中：

$g\left(\mathrm{\δ}\right)=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_3}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\δ}}\frac{1+(k^2\mathrm{\δ}+1){Q_2}^2}{1+(k^2\mathrm{\δ}+{\mathrm{\δ}}^2){Q_2}^2}}$

其中：g(δ)为关于δ的函数，λ₁＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₂+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁R₂ ²+ω²C₁ ²R₁，λ₃＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₁+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁ ²R₂+ω²C₂ ²R₂，Q₂为A₂侧线圈的品质因数，k为A₁侧和A₂侧线圈的耦合因数。

有益效果：一方面，无论能量从A₁侧无线流动至A₂侧或从A₂侧无线流动至A₁侧，通过控制两侧电压的比值，能量均能以最大效率进行流动；另一方面，无论A₁侧和A₂侧谐振腔的参数是否相同，合理的电压比控制仍然能够使得能量以最大效率进行流动。

附图说明

图1为双向无线电能传输系统原理图

图2为双向无线电能传输系统等效电路图

图3为双向无线电能传输系统效率曲线

图4为双向无线电能传输电压比与线圈参数关系曲线图

图5为双向无线电能传输系统在不同线圈参数下效率与电压比关系图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明：

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

配置双向无线电能传输系统如附图1所示，A₁侧包括电池1，单相全桥变换器1，串联滤波线圈L_m及其内阻R_m，谐振线圈L_p及其内阻R_p，谐振电容C₁，同时L_m＝L_p＝L₁，R_m＝R_p＝R₁；A₂侧包括电池2，单相全桥变换器2，串联滤波线圈L_n及其内阻R_n，谐振线圈L_s及其内阻R_s，谐振电容C₂，同时L_n＝L_s＝L₂，R_n＝R_s＝R₂。另外，A₁侧的谐振线圈L_p与A₂侧的谐振线圈L_s相互耦合，两者之间的互感为M，M＝k·sqrt(L₁L₂)，k是两谐振线圈的耦合系数。A₁侧单相全桥变换器的出口电压为U_p，A₂侧单相全桥变换器的出口电压为U_s，两变换器的开关角频率一致，均为ω，该角频率同时与谐振器的角频率一致，即ω＝1/sqrt(L₁C₁)＝1/sqrt(L₂C₂)。

在能量以无线方式在两侧进行传输时，如A₁→A₂时，保持A₁侧单相全桥变换器的出口电压U_p相量的相角超前A₂侧单相全桥变换器的出口电压U_s相量的相角90°；如A₂→A₁，保持U_p相角滞后U_s相角90°。

根据附图2，并假设σ＝U_s/U_p，因此，当能量从A₁流动至A₂时，

${\mathrm{\η}}_{for}=\frac{\mathrm{\σ}-({\mathrm{\λ}}_3/{\mathrm{\λ}}_2){\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_1/{\mathrm{\λ}}_2+\mathrm{\σ}},$

相应地，当时，系统能够取得最大效率，最大效率为 ${\mathrm{\η}}_{f-opt}=1-2(\sqrt{{{\mathrm{\λ}}_1}^2{{\mathrm{\λ}}_3}^2+{\mathrm{\λ}}_1{{\mathrm{\λ}}_2}^2{\mathrm{\λ}}_3}-{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_3)/{{\mathrm{\λ}}_2}^2;$

当能量从A₂流动至A₁时，

${\mathrm{\η}}_{inv}=\frac{\mathrm{\σ}-{\mathrm{\λ}}_1/{\mathrm{\λ}}_2}{({\mathrm{\λ}}_3/{\mathrm{\λ}}_2){\mathrm{\σ}}^2+\mathrm{\σ}},$

相应地，当时，系统能够取得最大效率，最大效率为 ${\mathrm{\η}}_{i-opt}=1-2(\sqrt{{{\mathrm{\λ}}_1}^2{{\mathrm{\λ}}_3}^2+{\mathrm{\λ}}_1{{\mathrm{\λ}}_2}^2{\mathrm{\λ}}_3}-{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_3)/{{\mathrm{\λ}}_2}^2.$

其中：为当能量从A1流动至A2时的系统效率，λ₁＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₂+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁R₂ ²+ω²C₁ ²R₁λ₂＝ω³C₁C₂M，λ₃＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₁+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁ ²R₂+ω²C₂ ²R₂，σ_f-opt为当能量从A₁流动至A₂时最优电压比，η_inv为当能量从A₂流动至A₁时的系统效率，σ_i-opt为当能量从A₂流动至A₁时最优电压比。

同时，由于：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_1/{\mathrm{\λ}}_3}{{{\mathrm{\λ}}_1}^2/{{\mathrm{\λ}}_2}^2}=\frac{{{\mathrm{\λ}}_2}^2}{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_3}=\frac{k^2{Q_1}^3{Q_2}^3}{\[{Q_1}^2+k^2{Q}_1{Q}_2+1\]\[{Q_2}^2+k^2{Q}_1{Q}_2+1\]}$

其值在线圈Q值较高时较大，故，可近似认为相应地，因此，

${\mathrm{\η}}_{f-opt}={\mathrm{\η}}_{i-opt}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}-{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_3}}{{\mathrm{\λ}}_2\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}+{\mathrm{\λ}}_1\sqrt{{\mathrm{\λ}}_3}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_3}-1}{{\mathrm{\λ}}_2/\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_3}+1}.$

其中，λ₁＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₂+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁R₂ ²+ω²C₁ ²R₁，λ₂＝ω³C₁C₂M，λ₃＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₁+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁ ²R₂+ω²C₂ ²R₂。其中：k为A₁侧和A₂侧线圈的耦合因数，Q₁为A₁侧线圈的品质因数，Q₂为A₂侧线圈的品质因数。

当两侧线圈参数一致时，存在λ₁＝λ₃，因此，当σ＝U_s/U_p＝1时，系统能够以最大效率进行能量互动。

当两侧线圈参数不一致时，假设：相应地有，

$g\left(\mathrm{\δ}\right)=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_3}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\δ}}\frac{1+(k^2\mathrm{\δ}+1){Q_2}^2}{1+(k^2\mathrm{\δ}+{\mathrm{\δ}}^2){Q_2}^2}}$

因此，将两侧的电压比配置成σ＝U_s/U_p＝g(δ)时，系统仍能以最大效率进行能量互动。

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 (2)

1.一种双向无线电能传输系统，其特征在于：包括A₁侧和A₂侧；

所述A₁侧包括电池1，单相全桥变换器1，串联滤波线圈L_m及其内阻R_m，谐振线圈L_p及其内阻R_p，谐振电容C₁，同时L_m＝L_p＝L₁，R_m＝R_p＝R₁；

所述A₂侧包括电池2，单相全桥变换器2，串联滤波线圈L_n及其内阻R_n，谐振线圈L_s及其内阻R_s，谐振电容C₂，同时L_n＝L_s＝L₂，R_n＝R_s＝R₂；

所述A₁侧的谐振线圈L_p与A₂侧的谐振线圈L_s相互耦合，两者之间的互感为M；A₁侧单相全桥变换器1的出口电压为U_p，A₂侧单相全桥变换器2的出口电压为U_s，两变换器的开关角频率一致，均为ω，该角频率同时与谐振器的角频率一致，即：

ω＝1/sqrt(L₁C₁)＝1/sqrt(L₂C₂)。

2.一种采用电压比控制权利要求1所述双向无线电能传输系统效率提升方法，其特征在于：具体如下：

当能量以无线方式从A₁侧流动至A₂侧时，保持电压相量U_p的相位超前电压相量U_s的相位90°，当能量以无线方式从A₂侧流动至A₁侧时，保持电压相量U_p的相位滞后电压相量U_s的相位90°，以使得系统不产生无功；

在A₁侧与A₂侧的谐振器参数完全一致时，即L₁＝L₂，R₁＝R₂时，在能量于两侧间进行无线传输时，始终保持U_p＝U_s，即U_s/U_p＝1，以使得能量传输的效率最高；在A₁侧与A₂侧的谐振参数不一致时，即L₁≠L₂，R₁≠R₂时，设L₁/L₂＝δ²，那么在能量于两侧间进行无线传输时，保持U_s/U_p＝g(δ)，以使得能量传输的效率最高；其中：

$g\left(\mathrm{\δ}\right)=\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_3}}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{\δ}}\frac{1+(k^2\mathrm{\δ}+1){Q_2}^2}{1+(k^2\mathrm{\δ}+{\mathrm{\δ}}^2){Q_2}^2}}$

其中：g(δ)为关于δ的函数，λ₁＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₂+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁R₂ ²+ω²C₁ ²R₁，λ₃＝ω⁶C₁ ²C₂ ²M²R₁+ω⁴C₁ ²C₂ ²R₁ ²R₂+ω²C₂ ²R₂，Q₂为A₂侧线圈的品质因数，k为A₁侧和A₂侧线圈的耦合因数。