CN106505749A - 分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法，该方法采用发射线圈和接收线圈的电容包括如下三种之一：（1）分数阶电容；（2）分数阶电容与整数阶电容串联；（3）分数阶电容与整数阶电容并联。控制器模块通过实时检测发射线圈供电电源与电容上的电压相位以及接收线圈电容与阻性负载上的电压相位，判断发射线圈与接收线圈是否分别处于谐振状态，并产生相应的控制信号，分别调节发射线圈和接收线圈的分数阶电容的电容值，使得发射线圈及接收线圈的谐振频率稳定。本发明利用分数阶电容实现了谐振式无线电能传输发射及接收线圈谐振频率的稳定，为高效率地无线电能传输应用提供了新的方案。

Description

分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法

技术领域

涉及谐振无线电能传输控制领域，具体涉及一种控制分数阶电容使得谐振无线电能传输发射及接收线圈谐振频率稳定的方法。

背景技术

无线电能传输技术最早由特斯拉提出。2007年，麻省理工学院M.Soljacic教授等人提出磁耦合谐振无线电能传输，并实现了在2m距离内以40％的效率传输60W的电能，成功点亮白炽灯。这一实验的成功，推进了国内外学者对磁耦合谐振无线电能传输的研究。

无线电能传输技术具有安全、可靠、灵活、方便等优点，目前已经有很多产品应用无线电能传输技术，如手机无线充电、植入式医疗设备、电动汽车等。但是在无线电能传输电路中，发射线圈和接收线圈之间容易受到周围的干扰的影响，从而导致线圈的自感和线圈之间的互感发生变化，使得无线电能传输电路失谐，造成能量的无法传递或者传递效率大大降低。

发明内容

针对目前现有技术的缺点与不足，本发明提供一种基于分数阶电容的无线电能传输发射及接收线圈谐振频率稳定的方法。

本发明通过如下技术方案实现。

分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法，该方法采用的谐振无线电能传输线圈系统包括高频功率源，发射线圈，发射线圈的电感、电容和等效内阻，接收线圈，接收线圈的电感、电容和等效内阻，阻性负载，和发射线圈与接收线圈的控制器模块；发射线圈和接收线圈的等效内阻均为各自电容和电感的内阻的总和，其中电容包括如下三种之一：(1)分数阶电容；(2)分数阶电容与整数阶电容串联；(3)分数阶电容与整数阶电容并联；所述方法包括：通过实时检测发射线圈高频功率源与电容上电压相位，若它们之间的相位相差90°，则发射线圈处于谐振状态；若相位相差偏离90°，则控制器模块调节分数阶电容的电容值，使发射线圈恢复谐振状态；通过实时检测接收线圈电容与阻性负载上电压相位，若它们之间的相位相差90°，则接收线圈处于谐振状态；若相位相差偏离90°，则控制器模块调节分数阶电容的电容值，使接收线圈恢复谐振状态；

进一步地，所述方法具体包括如下步骤：

第一步，相位检测部分采用乘法器型鉴相器，实时检测发射线圈供电电源即高频功率源与电容、接收线圈电容与阻性负载上的电压，输入鉴相器判断发射线圈供电电源与电容上电压相位差、接收线圈电容与阻性负载上电压相位差；

第二步，当检测到发射线圈供电电源与电容上电压相位差小于90°，控制器模块减少分数阶电容的电容值；当检测到发射线圈供电电源与电容上电压相位差大于90°，控制器模块增加分数阶电容的电容值；当检测到接收线圈电容与阻性负载上电压相位差小于90°，控制器模块减少分数阶电容的电容值；当检测到接收线圈电容与阻性负载上电压相位差大于90°，控制器模块增加分数阶电容的电容值。

本发明实时检测发射线圈供电电源与电容上的电压以及接收线圈电容与阻性负载上的电压来判断发射线圈和接收线圈是否分别处于谐振状态。通过控制调节分数阶电容的电容值来维持无线电能传输发射及接收线圈的谐振状态。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明电路结构简单，采用分数阶电容，由于分数阶电容的电容值可以按需要控制其增加或者减少，故本发明可以在各种失谐情况下稳定无线电能传输电路发射及接收线圈的谐振频率。

附图说明

图1为实施方式中谐振无线电能传输系统的等效结构图。

图2为实施方式中的流程框图。

图3为实施方式中分数阶电容稳定谐振无线电能传输发射及接收线圈谐振频率的仿真原理图。

图4为实施方式中谐振运行时发射线圈供电电源与电容上的电压波形以及接收线圈电容与阻性负载上的电压波形。

图5为实施方式中谐振运行时发射线圈供电电源电压及其电流波形以及接收线圈阻性负载电压及其电流波形。

图6为实施方式中电感变化以及发射线圈供电电源与电容上电压的相位变化情况。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之参数或者符号(元器件符号)均是本领域技术人员可以参照现有规范技术实现和理解的。

本发明提供一种基于分数阶电容的谐振无线电能传输发射及接收线圈谐振频率稳定的方法，其基本原理是实时采样检测发射线圈供电电源与电容上电压、接收线圈电容与阻性负载上电压，通过鉴相器计算相位差，控制器根据相位差的值是否偏离90°，调节分数阶电容的电容值，使得谐振无线电能传输发射及接收线圈谐振频率稳定，始终处于谐振状态。

如图1，一种分数阶电容稳定谐振无线电能传输发射及接收线圈谐振频率的方法，包括高频电压源U_s、发射线圈内阻R₁、发射线圈电感L₁、发射线圈电容C_a、接收线圈内阻R₂、接收线圈电感L₂、接收线圈电容C_b、接收线圈阻性负载R、相位检测装置和比较器，其中发射线圈内阻R₁和接收线圈内阻R₂分别为各自电感内阻和电容内阻的总和。其中，电容包括：(1)分数阶电容；(2)分数阶电容与整数阶电容串联；(3)分数阶电容与整数阶电容并联。实际电路中，发射线圈中高频电压源(作为高频功率源)的正参考电位一端与电感的一端连接，电感的另一端与电容的一端连接，电容的另一端与高频电压源的负参考电位一端连接，形成闭合回路，采样电源电压u_s和电容电压u_ca，通过相位检测器得到电压u_p1，再通过比较器与参考电压u_ref比较，产生电压信号控制分数阶电容，使得发射线圈谐振频率稳定；接收线圈中电感的一端与电容的一端连接，电容的另一端与负载的一端连接，负载的另一端与电感的另一端连接，形成闭合回路，采样电容电压u_cb和负载电压u_R，通过相位检测器得到电压u_p2，再通过比较器与参考电压u_ref比较，产生电压信号控制分数阶电容，使得接收线圈谐振频率稳定。

如图1所示，相位检测部分可以输出发射线圈供电电源与电容上电压的相位关系以及接收线圈电容与阻性负载上电压的相位关系。在图1中，当不谐振时，流过发射线圈和接收线圈的电流分别为(图中的量对应前述相应器件的物理量，例如R₁发射线圈内阻的值，L₁为发射线圈电感L₁的电感值，C₁为发射线圈电容C_a的电容值，R₂为接收线圈内阻的大小、C₂接收线圈电容电容值，其余不再赘述)：

发射线圈和接收线圈的电容电压分别为：

当处于谐振状态时，发射线圈和接收线圈的电压分别为

由式(5)(6)可见，谐振状态时，发射线圈的电容与供电电源上电压的相位相差90°，接收线圈的电容与阻性负载上电压的相位相差90°。在本例中，相位检测部分采用乘法器型鉴相器，电容采用分数阶电容与整数阶电容并联的方式。在发射线圈中，以供电电源电压为基准，假设电源信号为

u_s＝U_s sin(ωt) (7)

电容电压信号为

u_c＝U_c sin(ωt+θ) (8)

那么则有

经过低通滤波器后则有

通过判断式(10)的值来判断发射线圈是否处于谐振状态。同理，接收线圈也可以通过这种方式去判断其是否处于谐振状态。

当不谐振时，若式(10)的结果大于0，恢复电路的谐振状态则要减少分数阶电容的电容值；若式(10)的结果小于0，恢复电路的谐振状态则要增加分数阶电容的电容值。其流程框图如图2所示。

图3是本发明的一种应用示意图，即分数阶电容稳定谐振无线电能传输发射及接收线圈谐振频率的方法在PSIM环境下的仿真原理图，图中的元器件符号都是该软件中本领域的惯常规范表达，在此作为仿真例子，对本领域技术人员来说作为例子无需再赘述，其中的参数也仅仅是举例。

当谐振运行时，其发射线圈供电电源与电容上的电压波形以及接收线圈电容与阻性负载上的电压波形如图4所示。

当谐振运行时，其发射线圈供电电源电压及其电流波形以及接收线圈阻性负载电压及其电流波形如图5所示。

当发射线圈侧电感变化(减小)时，电感变化以及发射线圈供电电源与电容上电压的相位变化情况如图6所示。电感减少前，系统处于稳定的谐振状态；电感减少后，经过一段时间，系统能恢复到稳定的谐振状态。

因此上述仿真验证了本发明的可行性和正确性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法，其特征在于该方法采用的谐振无线电能传输线圈系统包括高频功率源，发射线圈，发射线圈的电感、电容和等效内阻，接收线圈，接收线圈的电感、电容和等效内阻，阻性负载，和发射线圈与接收线圈的控制器模块；发射线圈和接收线圈的等效内阻均为各自电容和电感的内阻的总和，其中电容包括如下三种之一：（1）分数阶电容；（2）分数阶电容与整数阶电容串联；（3）分数阶电容与整数阶电容并联；所述方法包括：控制器模块通过实时检测发射线圈高频功率源与电容上电压相位，若它们之间的相位相差90°，则发射线圈处于谐振状态；若相位相差偏离90°，则控制器模块调节分数阶电容的电容值，使发射线圈恢复谐振状态；通过实时检测接收线圈电容与阻性负载上电压相位，若它们之间的相位相差90°，则接收线圈处于谐振状态；若相位相差偏离90°，则控制器模块调节分数阶电容的电容值，使接收线圈恢复谐振状态。

2.根据权利要求1所述的分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法，其特征在于具体包括如下步骤：

第一步，相位检测部分采用乘法器型鉴相器，实时检测发射线圈供电电源即高频功率源与电容、接收线圈电容与阻性负载上的电压，输入鉴相器判断发射线圈供电电源与电容上电压相位差、接收线圈电容与阻性负载上电压相位差；

第二步，当检测到发射线圈供电电源与电容上电压相位差小于90°，控制器模块减少分数阶电容的电容值；当检测到发射线圈供电电源与电容上电压相位差大于90°，控制器模块增加分数阶电容的电容值；当检测到接收线圈电容与阻性负载上电压相位差小于90°，控制器模块减少分数阶电容的电容值；当检测到接收线圈电容与阻性负载上电压相位差大于90°，控制器模块增加分数阶电容的电容值。

3.根据权利要求1所述的分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法，其特征在于实时检测发射线圈供电电源与电容上的电压以及接收线圈电容与阻性负载上的电压来判断发射线圈和接收线圈是否分别处于谐振状态。

4.根据权利要求1所述的分数阶电容稳定谐振无线电能传输线圈谐振频率的方法，其特征在于通过控制调节分数阶电容的电容值来维持无线电能传输发射及接收线圈的谐振状态。