CN106451819B - 一种无线电能传输系统及其等效阻抗的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统及其等效阻抗的控制方法，系统的结构特点是：接收端的直流滤波电容与负载之间还连接有直流电流传感器，负载上并联有直流电压传感器；接收线圈与全控整流器之间还串接有解耦变压器的原边和交流电流传感器；解耦变压器的次边、测量线圈、交流电压传感器依次相连构成测量电路；且测量线圈与接收线圈同轴并绕；直流电流传感器的输出端、直流电压传感器的输出端、交流电流传感器的输出端及交流电压传感器的输出端均与接收端控制器相连。该系统能够实时调节接收端的等效阻抗，使接收端的等效阻抗为系统最优效率下的阻抗值，以提高系统的效率；减小系统电源容量；且系统结构简单、成本低、易于实施。

Description

一种无线电能传输系统及其等效阻抗的控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统及其等效阻抗的控制方法。

背景技术

无线电能传输系统利用高频电磁场近场耦合原理，以高频磁场作为传输介质，通过发送和接收线圈间的磁场耦合实现电能的无线传输。采用电磁感应的无线电能传输方式能够克服传统接触供电方式所带来的磨损、火花以及漏电等问题，同时具有便捷、美观和安全的优点。

无线电能传输系统主要由两个部分组成，一部分是连接在电源一侧的发送端，另一部分是位于负载侧的接收端；能量通过电磁感应的方式由发送端传输到接收端。现有的无线电能传输系统主要由发送端的直流电源、逆变器、发送线圈、发送补偿电容，接收端的接收线圈、接收补偿电容、整流器和负载组成。其中，发送端的逆变器通过直-交转换将直流电逆变为高频的交变电；发送补偿电容与发送线圈构成谐振电路，补偿发送端电路的感性阻抗，消除无功功率；交变谐振电流流过发送线圈，并在发送线圈上产生高频的交变磁场。接收线圈在交变磁场中感应出高频的交流电；接收补偿电容与接收线圈形成谐振电路，使得接收线圈感应电压与接收端电流同相；接收端整流器将高频交流电整流为直流，并向负载提供电能。

其存在的问题是：由于元器件存在参数漂移问题，导致系统在实际工作时会偏离谐振，进而影响系统的传输效率；现有的方法对接收端的谐振程度进行测量和控制的方法都需要加入调节用的电感或电容，增加了系统的复杂度和成本；并且受加入的电感或电容的数量和精度限制，其调节精度低。

发明内容

本发明的第一目的是提出一种无线电能传输系统，该系统能够检测系统接收端的电路谐振程度，同时能够动态地改变接收端的等效阻抗，使接收端的等效阻抗为系统最优效率下的阻抗值，有效提高系统的效率；减小系统电源容量；且系统结构简单、成本低、易于实施。

本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种无线电能传输系统，由发送端和接收端组成；其中，发送端包括：依次相连的直流电源、全桥逆变器、发送补偿电容、发送线圈，且发送端控制器分别与全桥逆变器相连；接收端包括：依次相连的接收线圈、接收补偿电容、全控整流器、直流滤波电容、负载，且接收端控制器与全控整流器相连；其特征在于：

所述的直流滤波电容与负载之间还连接有直流电流传感器，负载上并联有直流电压传感器；

所述的接收线圈与全控整流器之间还串接有解耦变压器的原边和交流电流传感器；

所述的解耦变压器的次边、测量线圈、交流电压传感器依次相连，构成测量电路；且测量线圈与接收线圈同轴并绕；

所述的直流电流传感器的输出端、直流电压传感器的输出端、交流电流传感器的输出端及交流电压传感器的输出端均与接收端控制器相连。

本发明的第二目的是提供一种使用上述无线电能传输系统改变系统等效阻抗的控制方法，该方法能在负载变化以及接收端电路不谐振时检测系统接收端的谐振程度，并控制改变负载的等效阻抗值，使得系统接收端电路谐振，且等效负载电阻为效率最优条件下的最优值，从而实现系统的效率优化。

本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述无线电能传输系统的等效负载阻抗控制方法，其步骤是：

A、等效电阻的计算

接收端控制器接收到直流电压传感器测得的接收端输出电压U_O和直流电流传感器测得的接收端输出电流I_O；接收端控制器据以算出当前时刻的负载电阻R_L，R_L＝U_O/I_O，并计算出整流器输入端当前时刻的等效电阻R_Leq：

其中，为接收端控制器设定的当前时刻全控整流器输入电压与输入电流的相位差；β为接收端控制器设定的当前时刻全控整流器的导通角；

B、最优等效电阻的计算

接收端控制器计算得到整个系统最优效率下对应的全控整流器输入端当前时刻的最优等效电阻

其中，ω为系统工作的额定角频率，M_PS为发送线圈与接收线圈的互感，R_P和R_S分别为发送线圈和接收线圈的等效内阻；

C、最优等效电抗计算

接收端控制器同时接收到交流电压传感器测得的测量电路的交流电压和交流电流传感器测得的整流器的输入电流；接收端控制器再将测量电路的交流电压的相位和整流器的输入电流的相位相减；得出测量电路的交流电压与整流器的输入电流的相位差δ，进而得到全控整流器输入端下一时刻的最优等效电抗

其中，X_Leq为全控整流器输入端当前时刻的等效电抗，其初始值为0；

D、相移的计算

接收端控制器根据B步得到的全控整流器输入端当前时刻的最优等效电阻和C步得到的全控整流器输入端下一时刻的最优等效电抗计算出全控整流器下一时刻需要的相移

E、导通角的计算

接收端控制器根据A步得到的全控整流器当前时刻的等效电阻R_Leq、C步得到的全控整流器下一时刻的最优等效电抗D步得到的下一时刻的相移计算出全控整流器下一时刻需要的导通角β，

F、等效阻抗的控制

接收端控制器输出控制信号给全控整流器，使全控整流器下一时刻的相移等于D步得到的下一时刻需要的相移并使全控整流器下一时刻的导通角等于E步得到的下一时刻需要的导通角β；使得系统下一时刻工作在优化的阻抗状态，系统效率得到优化；

G、重复A至F步的操作，直至系统工作停止。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明中的测量线圈电路能检测出接收端线圈上的感应电压相位，结合接收端电流相位，能够作为判断接收端谐振状态的直接判据，在接收端电路不谐振情况下能够计算出不谐振的程度，便于对全控整流器输入端的等效阻抗进行控制。

二、本发明无需加入实体电感或电容，直接通过接收端控制器对全控整流器的导通角和相位的调节，即可将接收端(全控整流器输入端)的等效阻抗调节为系统最优效率下的阻抗值，从而实现系统效率优化控制，有效提高系统的效率；能在同等输出功率需求的条件下，能够减小系统电源容量；

三、本发明采用全控整流器代替一般无线电能传输系统中的不控整流器，采用调整全控整流器导通角和相位的方式，提供了控制所需要的两个控制自由度，避免了在整流电路后再加入直-直变换电路所增加的额外的损耗；同时不用增加调节用的电感或电容，也降低了系统的复杂度和成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明实施例的电路结构及控制示意图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种无线电能传输系统，由发送端和接收端组成；其中，发送端包括：依次相连的直流电源E、全桥逆变器H1、发送补偿电容Cp、发送线圈Lp，且发送端控制器KP1分别与全桥逆变器H1相连；接收端包括：依次相连的接收线圈Ls、接收补偿电容Cs、全控整流器H2、直流滤波电容Cd、负载Rl，且接收端控制器KP2与全控整流器H2相连；其特征在于：

所述的直流滤波电容Cd与负载Rl之间还连接有直流电流传感器IO，负载Rl上并联有直流电压传感器UO；

所述的接收线圈Ls与全控整流器H2之间还串接有解耦变压器的原边Lt1和交流电流传感器IS；

所述的解耦变压器的次边Lt2、测量线圈Lm、交流电压传感器UM依次相连，构成测量电路；且测量线圈Lm与接收线圈Ls同轴并绕；

所述的直流电流传感器IO的输出端、直流电压传感器UO的输出端、交流电流传感器IS的输出端及交流电压传感器UM的输出端均与接收端控制器KP2相连。

图1示出一种无线电能传输系统等效阻抗的控制方法，其步骤是：

A、等效电阻的计算

接收端控制器KP2接收到直流电压传感器UO测得的接收端输出电压U_O和直流电流传感器IO测得的接收端输出电流I_O；接收端控制器KP2据以算出当前时刻的负载电阻R_L，R_L＝U_O/I_O，并计算出整流器输入端当前时刻的等效电阻R_Leq：

其中，为接收端控制器KP2设定的当前时刻全控整流器H2输入电压与输入电流的相位差；β为接收端控制器KP2设定的当前时刻全控整流器H2的导通角；

B、最优等效电阻的计算

接收端控制器KP2计算得到整个系统最优效率下对应的全控整流器输入端当前时刻的最优等效电阻

其中，ω为系统工作的额定角频率，M_PS为发送线圈Lp与接收线圈Ls的互感，R_P和R_S分别为发送线圈Lp和接收线圈Ls的等效内阻；

C、最优等效电抗计算

接收端控制器KP2同时接收到交流电压传感器UM测得的测量电路的交流电压和交流电流传感器IS测得的整流器H2的输入电流；接收端控制器KP2再将测量电路的交流电压的相位和整流器H2的输入电流的相位相减；得出测量电路的交流电压与整流器H2的输入电流的相位差δ，进而得到全控整流器输入端下一时刻的最优等效电抗

其中，X_Leq为全控整流器输入端当前时刻的等效电抗，其初始值为0；

D、相移的计算

接收端控制器KP2根据B步得到的全控整流器输入端当前时刻的最优等效电阻和C步得到的全控整流器输入端下一时刻的最优等效电抗计算出全控整流器H2下一时刻需要的相移

E、导通角的计算

接收端控制器KP2根据A步得到的全控整流器H2当前时刻的等效电阻R_Leq、C步得到的全控整流器H2下一时刻的最优等效电抗D步得到的下一时刻的相移计算出全控整流器H2下一时刻需要的导通角β，

F、等效阻抗的控制

接收端控制器KP2输出控制信号给全控整流器H2，使全控整流器H2下一时刻的相移等于D步得到的下一时刻需要的相移并使全控整流器H2下一时刻的导通角等于E步得到的下一时刻需要的导通角β；使得系统下一时刻工作在优化的阻抗状态，系统效率得到优化；

G、重复A至F步的操作，直至系统工作停止。

Claims (1)

1.一种无线电能传输系统的等效阻抗的控制方法，使用的无线电能传输系统由发送端和接收端组成；其中，发送端包括：依次相连的直流电源(E)、全桥逆变器(H1)、发送补偿电容(Cp)、发送线圈(Lp)，且发送端控制器(KP1)与全桥逆变器(H1)相连；接收端包括：依次相连的接收线圈(Ls)、接收补偿电容(Cs)、全控整流器(H2)、直流滤波电容(Cd)、负载(Rl)，且接收端控制器(KP2)与全控整流器(H2)相连；其特征在于：

所述的直流滤波电容(Cd)与负载(Rl)之间还连接有直流电流传感器(IO)，负载(Rl)上并联有直流电压传感器(UO)；

所述的接收线圈(Ls)与全控整流器(H2)之间还串接有解耦变压器的原边(Lt1)和交流电流传感器(IS)；

所述的解耦变压器的次边(Lt2)、测量线圈(Lm)、交流电压传感器(UM)依次相连，构成测量电路；且测量线圈(Lm)与接收线圈(Ls)同轴并绕；

所述的直流电流传感器(IO)的输出端、直流电压传感器(UO)的输出端、交流电流传感器(IS)的输出端及交流电压传感器(UM)的输出端均与接收端控制器(KP2)相连；

使用所述的无线电能传输系统进行无线电能传输系统的等效阻抗的控制方法，其步骤是：

A、等效电阻的计算

接收端控制器(KP2)接收到直流电压传感器(UO)测得的接收端输出电压U_O和直流电流传感器(IO)测得的接收端输出电流I_O；接收端控制器(KP2)据以算出当前时刻的负载电阻R_L，R_L＝U_O/I_O，并计算出整流器输入端当前时刻的等效电阻R_Leq：

其中，为接收端控制器(KP2)设定的当前时刻全控整流器(H2)输入电压与输入电流的相位差；β为接收端控制器(KP2)设定的当前时刻全控整流器(H2)的导通角；

B、最优等效电阻的计算

接收端控制器(KP2)计算得到整个系统最优效率下对应的全控整流器输入端当前时刻的最优等效电阻

其中，ω为系统工作的额定角频率，M_PS为发送线圈(Lp)与接收线圈(Ls)的互感，R_P和R_S分别为发送线圈(Lp)和接收线圈(Ls)的等效内阻；

C、最优等效电抗计算

接收端控制器(KP2)同时接收到交流电压传感器(UM)测得的测量电路的交流电压和交流电流传感器(IS)测得的整流器(H2)的输入电流；接收端控制器(KP2)再将测量电路的交流电压的相位和整流器(H2)的输入电流的相位相减；得出测量电路的交流电压与整流器(H2)的输入电流的相位差δ，进而得到全控整流器输入端下一时刻的最优等效电抗

其中，X_Leq为全控整流器输入端当前时刻的等效电抗，其初始值为0；

D、相移的计算

接收端控制器(KP2)根据B步得到的全控整流器输入端当前时刻的最优等效电阻和C步得到的全控整流器输入端下一时刻的最优等效电抗计算出全控整流器(H2)下一时刻需要的相移

E、导通角的计算

接收端控制器(KP2)根据A步得到的全控整流器(H2)当前时刻的等效电阻R_Leq、C步得到的全控整流器(H2)下一时刻的最优等效电抗D步得到的下一时刻的相移计算出全控整流器(H2)下一时刻需要的导通角β^*，

F、等效阻抗的控制

接收端控制器(KP2)输出控制信号给全控整流器(H2)，使全控整流器(H2)下一时刻的相移等于D步得到的下一时刻需要的相移并使全控整流器(H2)下一时刻的导通角等于E步得到的下一时刻需要的导通角β^*；使得系统下一时刻工作在优化的阻抗状态，系统效率得到优化；

G、重复A至F步的操作，直至系统工作停止。