CN106026417B - 多相位激励-全空间拾取的无线传能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相位激励‑全空间拾取的无线传能系统及其控制方法，可在全空间中获得高效稳定的能量传输。该系统以三个工作模态及相位可调的逆变电源分别激励相互正交的三个线圈，在理论上以互感耦合理论建立系统的数学模型。通过对系统传能效率与激励电源工作模态及其相位的关系进行分析，设计了系统的最大传能效率调控机制。结合计算机辅助分析软件，对负载线圈在不同位姿条件下系统的传能效率进行了研究，研究结果表明负载在随机位姿状态下系统均能获得高效稳定的传能效率，证明了所设计的调控机制是简易有效的。

Description

多相位激励-全空间拾取的无线传能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体的说，是一种多相位激励-全空间拾取的无线传能系统及其控制方法。

背景技术

随着无线电能传输技术的发展，人们对无线电能传输的灵活性要求越来越高。

现有的无线电能传输系统大多采用电磁感应原理，即设置两个相互接近的发射线圈和接收线圈，通过发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合实现能量的无线传输。

这样的传输方式原理简单，易于实现，但是传输效率与传输距离和线圈方向密切相关，距离越大，传输效率会急剧下降，而且对方向性的要求较高，导致系统的偏移度和灵活性较差，从而极大地限制了其应用范围。因此，迫切需要一种适应多方向的高效无线电能传输系统。

发明内容

针对上述问题，本发明首先提出一种多相位激励-全空间拾取的无线传能系统，通过改变耦合机构的结构形式，提高无线电能传输系统的方向适应能力，满足任意方向的自由拾取。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种多相位激励-全空间拾取的无线传能系统，包括三路高频交流电压源、三个原级谐振回路、负载谐振回路和负载，其关键在于，所述三个原级谐振回路中的发射线圈均为利兹线绕制的单层平面线圈，三个发射线圈的参数均相同，所述三个发射线圈的中心重合且在三维空间内相互正交设置。

通过上述结构改进，三个发射线圈的磁场可以形成全空间分布，接收线圈在任意一个方向均能有效拾取能量，提高系统的自适应能力。

进一步地，所述三个发射线圈采用直径为2mm的利兹线绕制，内半径为100mm，匝间距为10mm，匝数为10。

进一步地，所述负载谐振回路中的接收线圈与发射线圈的结构和参数相同。

实施过程中，所述三路高频交流电压源由直流电源和高频逆变电路转换而得。

基于上述结构改进，本发明还提出一种多相位激励-全空间拾取的无线传能系统的控制方法，关键在于包括以下步骤：

步骤1：开始，系统初始化，将三路高频交流电压源中的高频逆变电路设为a、b、c三种工作模态，初始状态均工作在模态b且电源相位α和β初始值均为0，其中：

模态a为开路状态，当第i路高频交流电压源处于模态a时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝0，第i个发射线圈与负载线圈间的互感M_ia＝0；

模态b为逆变状态，当第i路高频交流电压源处于模态b时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝1，第i个发射线圈与负载线圈间存在互感M_ia；

模态c为短路状态，当第i路高频交流电压源处于模态c时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝0，第i个发射线圈与负载线圈间存在互感M_ia；

i＝1,2,3，所述三路高频交流电压源为U₀为有效值，且电源相位关系为：

步骤2：检测三个发射线圈的谐振电流并根据各路高频交流电压源的工作模态以及电路系统参数计算第i个发射线圈与拾取线圈之间的互感M_ia，以及优化因子

步骤3：判断优化因子中的最小值h_min，并按以下规则进行控制：

规则H1：若则根据第一方案控制，若存在一个发射线圈传能因子为0，则按照下表控制：

若所有发射线圈传能因子均为1，则按照下表控制：

规则H2：

若时，将第1个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

若时，将第2个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

若时，将第3个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

规则H3：

若时，第1个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

若时，第2个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

若时，第3个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

步骤4：判断是否停机，如果是，则结束，否则进入步骤5；

步骤5：判断是否存在模态a，如果有则将模态a切换为模态c后返回步骤2，否则直接返回步骤2。

进一步地，按照以下方式计算优化因子：

变量且：

中间变量F＝M_1a ²+M_2a ²+M_3a ²；发射线圈电感内阻值为R₀，负载线圈电感内阻值为R_a，负载阻值为R，谐振回路的谐振角频率为ω；其它中间变量为：

F⁽⁴⁾＝M_2a ²+M_3a ²，F⁽⁵⁾＝M_1a ²+M_3a ²，F⁽⁶⁾＝M_1a ²+M_2a ²，

本发明的有益效果是：

本发明构建的多相位激励-全空间拾取的无线传能系统及其控制方法，能够保证负载线圈在大范围空间中以任意位姿移动时系统具有最大的传能效率和稳定的传输功率，实现了能量拾取机构有极高的自由度和灵活性。同时，此调控机制无需额外增加控制单元，如：激励电源的电压、电流幅/频控制器等，具有低成本、小体积等优越性。因此，该系统更适合应用于对机动性、偏移度、成本和体积要求较苛刻的无线传能领域，如：电动车、移动机器人、办公家电、人工辅助心脏等。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的系统等效电路模型图；

图3是高频交流电压源的不同工作模态图；

图4是负载线圈的分布卦象图；

图5是本发明的控制方法流程图；

图6是线圈仿真模型图；

图7是线圈坐标位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图1所示，一种多相位激励-全空间拾取的无线传能系统，包括三路高频交流电压源、三个原级谐振回路、负载谐振回路和负载，其特征在于，所述三个原级谐振回路中的发射线圈均为利兹线绕制的单层平面线圈，三个发射线圈的参数均相同，所述三个发射线圈的中心重合且在三维空间内相互正交设置。

为了便于后续分析，使用1、2、3分别代表三个原级谐振回路，使用a代表负载谐振回路，则系统的等效电路模型如图2所示。

图2中，L_i、C_i、R_i、R_Si和分别为各个谐振回路的电感、调谐电容、线圈内阻、电源内阻和回路谐振电流，i取值为1、2、3或a；分别为驱动三个原级谐振回路的交流电压源，角频率为ω且满足式(2-1)；M_1a、M_2a、M_3a分别为各个原级谐振回路电感和负载谐振回路电感之间的互感，R为负载电阻；箭头方向定义为电流正方向。

其中，k_i取0或1，i＝1、2、3，且不全为0，α和β为电源相位，取值范围为(-π,π]。

在多相位激励-全空间拾取的无线传能系统中，设计三个原级谐振回路的电感值、内阻值相同，分别为L和R₀，并配置调谐电容使所有谐振回路的谐振角频率与电源角频率相同，忽略三个电源内阻，则根据互感耦合理论，可建立式(2-2)所示的矩阵方程。

由式(2-1)和(2-2)，有：

其中，

F＝M_1a ²+M_2a ²+M_3a ²。

根据式(2-3)，有

其中，f₁(·)、f₂(·)、f₃(·)为非线性映射算子，参数组{ω,R₀,R_a,R,k₁,k₂,k₃,α,β,U₀}是系统状态，为确定的值，当负载位置和姿态改变时，可根据实测的线圈电流求出三个互感值。

无线传能系统的电能传输效率为：

式(2-3)代入式(2-5)，当时，此条件在实际无线传能系统中显然成立，有：

其中，

根据式(2-6)，系统传能效率的优化目标为：

Min:h (2-7)

若互感M_1a、M_2a、M_3a连续，即不断开线圈回路，则系统传能效率的优化目标等价于：

Min:g (2-8)

在无线传能系统中，为了得到激励线圈的高频交流电流，大多是由直流电源和高频逆变电路转换而得，如图3所示的逆变电源，其中，V_DC为直流电压源，S₁～S₄为功率开关管，Z为等效负载。

从负载Z的角度，电源的工作模态分为开路、逆变和短路模态，如图3所示，对于模态a和c，在系统传能效率式(2-1)中对应的k值为0，且模态a对应激励线圈与负载线圈间的互感为0，而模态(c)对应的互感不为0。

针对三个激励电源不同的工作模态，对系统的传能效率做如下分析。

A：均不工作于模态a

在此工作模态条件下，优化目标为(2-8)，表达式g展开为

当k₁、k₂、k₃取不同组合值时，g有不同的最小值，分别为：

(1)有且仅有一个k值为1；

令第i个激励线圈的k值为1，此时，g的最小值为：

其中，i＝1、2、3。此时，电源相位α、β取值域(-π,π]中的任意值。

(2)有且仅有一个k值为0；

此条件下，电源相位α、β取值由不同的线圈互感决定，且g的最小值如表1所示。

表1互感分布与电源相位的关系(有且仅有一个k值为0)

(3)k值全为1；

此条件下，g是连续的，其最小值条件等价于：

Max：p＝F+2M_1aM_2acosα+M_1aM_3acosβ+M_2aM_3acos(β-α) (3-3)

则：

于是，p存在最值的必要条件为条件(3-5)中的任意一个。

为了获得p的最大值，令：

则，G＝Y²-XZ，满足：

G＝-4M_1aM_2aM_3aM_1acosαcosβ+M_2acosαcos(β-α)+M_3acosβcos(β-α)

(3-7)

根据p取得最大值的条件：

G＜0且X＜0 (3-8)

求得g的最小值为：

且对应的电源相位α、β与互感在卦象图4中的分布关系应满足表2。

表2互感分布与电源相位的关系(k值全为1)

根据上述分析结果，对于相同的线圈互感(对应某一负载位姿状态)，激励线圈的参数k取不同值时对应不同g_min，为了获得最小的g值，需对条件(3-10)进行处理。

Min:{g⁽ⁱ⁾ _min}i＝1,2,…,7 (3-10)

此条件等价于：

此时，对应的最小g值为

相应的最小h值为

B：工作于任意模态

在此条件下，当激励线圈电流为零时，切换电源工作于模态a，即断开线圈回路，优化目标只能选择(2-7)。

(1)有且仅有一个电源不工作于模态a

令第l个电源不工作于模态a，此时，最小的h值为：

其中，F^(l)＝M_la ²，g^(l) _min满足式(3-2)，l＝1、2、3。

(2)有且仅有一个电源工作于模态a

令第L个电源工作于模态a，此时，最小的h值为

其中，F^(L)＝M_ia ²+M_ja ² i,j＝1,2,3 i≠j i,j≠L，g^(L) _min为表1中的g_min，L＝4、5、6。

根据上述分析结果，考虑电源能够工作于任意模态，为了实现系统电能的最大效率传输，需对条件(3-15)进行处理。

Min:{h⁽ⁱ⁾ _min} i＝1,2,…,7 (3-15)

此时，对应的最小h值为

h_min＝Max{h⁽ⁱ⁾ _min} (3-16)

最大传能效率为：

于是，系统的参数{k₁，k₂，k₃，α，β}可以按照以下方式进行控制，具体如图5所示：

步骤1：开始，系统初始化，将三路高频交流电压源中的高频逆变电路设为a、b、c三种工作模态，初始状态均工作在模态b且电源相位α和β初始值均为0，其中：

模态a为开路状态，当第i路高频交流电压源处于模态a时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝0，第i个发射线圈与负载线圈间的互感M_ia＝0；

模态b为逆变状态，当第i路高频交流电压源处于模态b时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝1，第i个发射线圈与负载线圈间存在互感M_ia；

模态c为短路状态，当第i路高频交流电压源处于模态c时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝0，第i个发射线圈与负载线圈间存在互感M_ia；

所述三路高频交流电压源为U₀为有效值，且电源相位关系为：

步骤2：检测三个发射线圈的谐振电流并根据各路高频交流电压源的工作模态以及电路系统参数计算第i个发射线圈与拾取线圈之间的互感M_ia，以及优化因子

步骤3：判断优化因子中的最小值h_min，并按以下规则进行控制：

规则H1：若则根据第一方案控制，若存在一个发射线圈传能因子为0，则按照下表1控制，若所有发射线圈传能因子均为1，则按照表2控制；

规则H2：

若时，将第1个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

若时，将第2个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

若时，将第3个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

规则H3：

若时，第1个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

若时，第2个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

若时，第3个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

步骤4：判断是否停机，如果是，则结束，否则进入步骤5；

步骤5：判断是否存在模态a，如果有则将模态a切换为模态c后返回步骤2，否则直接返回步骤2。

具体可以按照以下方式计算优化因子：

变量且：

中间变量F＝M_1a ²+M_2a ²+M_3a ²；发射线圈电感内阻值为R₀，负载线圈电感内阻值为R_a，负载阻值为R，谐振回路的谐振角频率为ω；其它中间变量为：

F⁽⁴⁾＝M_2a ²+M_3a ²，F⁽⁵⁾＝M_1a ²+M_3a ²，F⁽⁶⁾＝M_1a ²+M_2a ²，

为了验证上述系统模型及其调控机制的有效性，建立如图6所示的COMSOL仿真模型，在模型中使用“电路”实现不同相位的激励电源、使用“磁场”建立线圈耦合机构，在本实施例中，所述三个发射线圈采用直径为2mm的利兹线绕制，内半径为100mm，匝间距为10mm，匝数为10，且所述负载谐振回路中的接收线圈与发射线圈的结构和参数相同。各个线圈之间的相对位置示意图如图7所示，其中线圈1、2、3在坐标系{A}中，线圈所在平面分别为XOY、XOZ、YOZ且位置固定；线圈a在坐标系{B}中，所在平面为X'O'Y'且可分别绕X'、Y'、Z'轴旋转弧度α₁、β₁、γ₁；两个坐标系的位置关系为“坐标系{A}沿Z轴平移d，再沿Y轴逆时针旋转弧度θ，最后沿Z轴逆时针旋转弧度变换为坐标系{B}”，即坐标系{B}的原点位于以O为球心、d为半径的球面上。

在建立的仿真模型中，设计系统的谐振频率为500kHz，球半径为0.4m，研究负载线圈a分布于不同位置且具有不同姿态时系统的调控机制和传能效率。

(1)位于球面的切平面上

对参数组利用随机抽样法在区间(-π,π]内任意选取20组参数进行实验，测试结果如表3所示，其中“---”表示相位可以取值域(-π,π]中的任意值(下同)，为了便于实际调控，取为负载位姿前一状态对应的相位值。

表3实验测试结果(负载线圈位于球面的切平面上)

从表3可以看出，根据前述调控机制对激励电源工作模态及其相位进行调控，可以保证当负载在整个球面区域内随机移动时系统获得较稳定并且较高的传能效率。

(2)位于球面且线圈随机旋转

为了进一步检验负载在空间中移动的自由度，在表3中随机取5个参数组值，并针对每一个参数组利用随机抽样法在坐标系{B}中取负载线圈的5组参数{α₁,β₁,γ₁}进行实验，参数值的取样区间为(-π,π]，测试结果如表4～表8所示，其中，”C1”表示β-α＝0，”C2”表示β-α＝±π(下同)，在实际调控中，固定其中任意一个相位，仅调控另一个相位。

表4实验测试结果(第5个参数组)

表5实验测试结果(第9个参数组)

α1[rad]	β1[rad]	γ1[rad]	激励源n的模态及相位	传能效率
					-2.5338	1.0028	-0.2903	a,b,b；0,C2	0.6439
1.9990	0.1168	-0.4248	a,b,b；0,C1	0.6229
					1.9952	2.9718	2.0440	a,a,b；0,---,---	0.6283
1.3976	0.9361	-2.6171	a,b,b；0,C2	0.6672
					-2.2000	1.8870	-2.3049	a,a,b；0,---,---	0.6546

表6实验测试结果(第12个参数组)

α1[rad]	β1[rad]	γ1[rad]	激励源n的模态及相位	传能效率
					-2.4742	2.8377	-0.4848	a,b,b；0,C2	0.7095
-0.8017	2.6410	0.3008	b,a,b；0,---,0	0.7051
					-1.8968	-2.8106	2.7818	a,b,b；0,C2	0.7072
-0.0648	1.4945	-0.5168	b,a,a；0,---,---	0.6483
					-1.0085	-1.4507	3.0351	b,a,a；0,---,---	0.6561

表7实验测试结果(第15个参数组)

α1[rad]	β1[rad]	γ1[rad]	激励源n的模态及相位	传能效率
					-0.8236	0.9096	-2.3838	a,a,b；0,---,---	0.6490
-0.2468	-0.7774	0.5624	a,a,b；0,---,---	0.6408
					3.0262	-1.9420	-1.7204	a,a,b；0,---,---	0.6479
-2.1589	-0.4508	-0.7250	b,a,a；0,---,---	0.6592
					2.2338	-0.1130	0.5214	a,b,a；0,---,---	0.6549

表8实验测试结果(第18个参数组)

α1[rad]	β1[rad]	γ1[rad]	激励源n的模态及相位	传能效率
					-3.0001	-0.4845	1.2559	a,b,a；0,---,---	0.6541
-0.4696	-2.5495	0.8704	a,b,a；0,---,---	0.6376
					-1.1767	0.6190	-2.9305	a,b,b；0,C1	0.6450
-2.1270	-0.1827	-2.7093	a,b,a；0,---,---	0.6520
					-2.0184	1.2312	-1.1335	b,a,b；0,---,π	0.6706

从表4～表8可以看出，当负载线圈在球面上随机移动或随机旋转时，通过对激励电源工作模态及其相位进行调控，可以保证系统获得较稳定并且较高的传能效率。

(3)以随机姿态分布于球内的随机位置

当负载线圈在球内随机移动和旋转时，利用随机抽样法任意选取20组参数进行实验，d的抽样区间为[0.2,0.4]、弧度的抽样区间为(-π,π]，测试结果如表9所示。

表9实验测试结果(负载线圈以随机姿态分布于球内的随机位置)

表9显示，无论负载线圈在整个全球空间中如何移动和旋转，通过对激励电源工作模态及其相位进行调控，仍然能够保证系统获得较稳定并且较高的传能效率。表中传能效率因为传输距离的变化而出现较大的波动，而在实际系统中，负载线圈的位姿不存在突变的状态，相应的系统传能效率则连续变化，负载拾取的能量亦连续稳定。

综上所述，本发明构建的新型调控机制能够保证负载线圈在大范围空间中以任意位姿移动时系统具有最大的传能效率和稳定的传输功率，从而实现能量拾取机构有极高的自由度和灵活性。同时，此调控机制无需额外增加控制单元，如：激励电源的电压、电流幅/频控制器等，具有低成本、小体积等优越性。因此，本文构建的多相位激励-全空间拾取的无线传能系统更适合应用于对机动性、偏移度、成本和体积要求较苛刻的无线传能领域，如：电动车、移动机器人、办公家电、人工辅助心脏等无线充供电领域。

Claims (2)

1.一种多相位激励-全空间拾取的无线传能系统的控制方法，系统包括三路高频交流电压源、三个原级谐振回路、负载谐振回路和负载，所述三个原级谐振回路中的发射线圈均为利兹线绕制的单层平面线圈，三个发射线圈的参数均相同，所述三个发射线圈的中心重合且在三维空间内相互正交设置，其特征在于，系统按照以下步骤控制：

步骤1：开始，系统初始化，将三路高频交流电压源中的高频逆变电路设为a、b、c三种工作模态，初始状态均工作在模态b且电源相位α和β初始值均为0，其中：

模态a为开路状态，当第i路高频交流电压源处于模态a时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝0，第i个发射线圈与负载线圈间的互感M_ia＝0；

模态b为逆变状态，当第i路高频交流电压源处于模态b时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝1，第i个发射线圈与负载线圈间存在互感M_ia；

模态c为短路状态，当第i路高频交流电压源处于模态c时，对应的第i个发射线圈传能因子k_i＝0，第i个发射线圈与负载线圈间存在互感M_ia；

i＝1,2,3，所述三路高频交流电压源为U₀为有效值，且电源相位关系为：

步骤2：检测三个发射线圈的谐振电流并根据各路高频交流电压源的工作模态以及电路系统参数计算第i个发射线圈与拾取线圈之间的互感M_ia，以及优化因子

步骤3：判断优化因子中的最小值h_min，并按以下规则进行控制：

规则H1：若则根据第一方案控制，若存在一个发射线圈传能因子为0，则按照下表控制：

若所有发射线圈传能因子均为1，则按照下表控制：

规则H2：

若时，将第1个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

若时，将第2个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

若时，将第3个高频交流电压源工作于模态b，其余高频交流电压源工作于模态a，电源相位不改变；

规则H3：

若时，第1个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

若时，第2个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

若时，第3个高频交流电压源工作于模态a，其余高频交流电压源工作于模态b，电源相位不改变；

步骤4：判断是否停机，如果是，则结束，否则进入步骤5；

步骤5：判断是否存在模态a，如果有则将模态a切换为模态c后返回步骤2，否则直接返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的多相位激励-全空间拾取的无线传能系统的控制方法，其特征在于按照以下方式计算优化因子：

变量且：

中间变量F＝M_1a ²+M_2a ²+M_3a ²；发射线圈电感内阻值为R₀，负载线圈电感内阻值为R_a，负载阻值为R，谐振回路的谐振角频率为ω；其它中间变量为：

F⁽⁴⁾＝M_2a ²+M_3a ²，F⁽⁵⁾＝M_1a ²+M_3a ²，F⁽⁶⁾＝M_1a ²+M_2a ²，