CN107069997A - 一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及调谐方法 - Google Patents

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本发明公开了一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及调谐方法，涉及无线电能传输技术领域，通过原边带有相位检测装置PD、BUCK电路、控制单元CU和整流桥的动态调谐装置根据检测到的相位差状态判断谐振状态并通过调节BUCK电路的等效输出电阻来实时调谐，能使原边保持在电压和电流相位差最小的状态下运行，即原边电路更接近完全谐振状态，以提高发送端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

Description

一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及调谐方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及调谐方法。
背景技术
无线电能传输技术的研究最早开始于20世纪70年代初，近几年迅速成为各大研究机构竞相追逐的热点，引起了众多国内外学者和工业界的密切关注。最初该为技术主要用于人体内植式医疗电子装置，如为人工心脏起搏器提供无接触电能供应，随后相继有科学家将无线电能传输技术用于电动车辆非接触供电，轨道交通无线供电系统等中取得了一定的突破，而且正逐渐向大功率应用方向发展。感应耦合无线电能传输方式是众多无线电能传输方式中向大功率方向发展最有前景的之一，其传输装置由发送端和接收端两部分组成。第一部分是感应耦合无线电能传输装置的发送端，其组成原理是：电网的工频电经过整流器整流成直流电，再经过高频逆变器将直流逆变成高频的交流电，高频的交流电流在发送线圈中流动产生高频交变磁场。第二部分是感应耦合无线电能传输装置的接收端，其组成原理是：接收端的接收线圈感应到发送线圈产生的高频交变的磁场，在接收线圈中感生出高频的交流电，接收线圈中的高频交流电经过整流器整流成直流电并传递给负载，从而实现电能的无线传输。感应耦合无线电能传输装置的核心问题就是接收线圈和发送线圈之间的能量传输。为了保证能量传输的功率和效率，要求发送端和接收端固有谐振频率一致。然而接收线圈和发送线圈之间存在较大的气隙，使得发送线圈和接收线圈的漏感很大，加之，负载、温湿度等因素均会导致线路的阻抗发生变化；从而使发送线圈的无功功率增加，接收线圈的电压降低，减小了电能的传输功率与传输效率。为了提高电能的传输功率与传输效率，一般由调谐装置通过投切电容来对发送线圈或接收线圈的漏感等进行调谐，即电容与发送线圈或接收线圈组成LC谐振振荡电路，提高发送线圈和接收线圈的有功功率；然而，现有发送端调谐装置大多是基于阻抗测量而改变投切电容数量进行动态补偿，实现对无线传能系统发送端线圈漏感的调谐，但由于无线电能传输系统运行工况和外界环境的变化等因素，发送端和接收端的线圈的感抗和电路阻抗会发生变化，这个变化量难以实时测量，使得无线电能传输系统参数发生变化，进而导致发送端与接收端的谐振频率发生变化时，调谐装置不能实时、精确调谐，系统没有处于谐振的状态，影响系统电能有效传输，降低系统的供电能力；还有在发送端并联附加相控电感电路，应用动态调谐方式实时调节发送端的等效固有谐振频率来保证工作谐振频率的稳定性，但它也存在局限性，只能在确定了负载的变化范围后才能设计出使系统频率保持稳定的调谐电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置及调谐方法，能使原边保持在电压和电流相位差最小的状态下运行，即原边电路更接近完全谐振状态，以提高发送端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，包括原边和副边，交流电源接在原边的输入端通过原边整流桥Z0接入逆变器N，其特征在于：逆变器N和原边线圈LP之间依次连接有电压传感器VR、电流传感器IR、调谐装置和静态补偿电容CP，所述调谐装置包括并联的整流桥Z1和电容Ct，整流桥Z1的输出端接有BUCK电路，BUCK电路的输出端相连有电阻R，电压传感器VR和电流传感器IR的输出端与相位检测装置PD相连，相位检测装置PD输出端与控制单元CU的输入端连接，控制单元CU输出BUCK电路驱动信号。
所述整流桥Z0和整流桥Z1均为全桥。
所述相位检测装置PD可以采用现有的相位测试仪实现。
所述控制单元CU为带有控制程序的DSP控制器。
一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，相位测量装置PD检测逆变器的输出电压和电流的相位得到相位差θ0，判断原边谐振状态；
步骤2，若步骤1判断原边不谐振，则控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路，使BUCK电路的输入等效阻值达到参考阻值R0，且R0≥R，R为BUCK电路的输出端连接的电阻阻值；
步骤3，通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值分别达到小参考阻值R1和大参考阻值R2，BUCK电路的输入等效阻值达到小参考阻值R1时将相位检测装置检测到的相位值记为θ1，BUCK电路的输入等效阻值达到大参考阻值R2时将相位检测器检测到的相位值记为θ2；
步骤4，比较三个相位差值θ1、θ2和θ0的大小并作出以下判断，
若最小值为θ1，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R1，再回到步骤1；
若最小值为θ2，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R2，再回到步骤1；
若最小值为θ0，则直接回到步骤1。
所述步骤1，判断原边谐振状态的方法，设定谐振相位差的固定参考值为β，θ0为相位检测装置的检测值，如果检测到|θ0|≥|β|，则判断原边不谐振。β的取值范围需要根据实际的情况和需求来定。
所述步骤2中，BUCK电路的输入等效阻值的参考阻值为R0，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的设定调节量为ΔR，所述小参考阻值R1＝R0-ΔR，大参考阻值R2＝R0+ΔR。ΔR没有具体的参考取值范围，但这个量的大小会影响调节速度和调节谐振的精度，需要根据实际需求调试。
所述步骤2中，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值是通过测量并采集BUCK电路的输入电压U和输入电流I求得BUCK电路的输入等效电阻的测量值Rx，然后比较测量值Rx和参考阻值R0，并通过PI控制的方式输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值。
所述步骤3中，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值是通过测量并采集BUCK电路的输入电压U和输入电流I求得BUCK电路的输入等效电阻的测量值Rx，然后比较测量值Rx与小参考阻值R1和大参考阻值R2，并通过PI控制的方式输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值。
本发明的有益效果如下：
一、本发明提供的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，采用静态的补偿电容CP对线圈电感进行初步的静态补偿，再采用调谐装置进行动态调谐；当无线电能传输系统发送端不谐振时，调谐装置能实时、精确调谐，而且其连续性好、调谐精度高，从而使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，进一步提高无线电能传输设备的传输功率和效率，与在发送端并联附加相控电感电路相比，不需要确定负载的变化范围就可以实现高精度的调谐。
二、本发明提供的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，所述整流桥Z0和整流桥Z1均为全桥，全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起，可以充分适合整流电路和工作电压；控制单元CU为带有控制程序的DSP控制器，即DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。
三、本发明提供的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，通过记录当前逆变器的输出电压和电流的相位差θ0及其控制单元设定的参考阻值R0，再将控制单元的参考阻值分别向小、向大偏移设定的调节量，并通过控制单元输出调节BUCK，使BUCK的输入等效阻值达到参考阻值，并实际测出大参考阻值和小参考阻值对应的相位差；最后找出大、小参考阻值和当前参考阻值对应的相位差中的最小值，再以最小相位差对应的参考阻值作为控制单元的当前参考阻值，使相位差变小，通过这样的一次或多次逼近即可使发送端电路的相位差处于设定的谐振范围，从而使发送端电路实时、动态地处于谐振状态或者谐振状态附近。
四、本发明提供的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，利用电路谐振时逆变器的输出电压和电流的相位差几乎为0或者在其附近的原理来动态补偿谐振回路，补偿了线路中不可测量的阻抗(比如发射端线圈的漏感和温度、湿度变化导致的阻抗漂移)所造成的谐振回路参数漂移，其调谐更精确、可靠，也即本发明的方法能实现更高精度的调谐，使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，更好的提高无线电能传输设备的传输功率和效率。
附图说明
图1是本发明一种优选方案的电路结构示意图；
具体实施方式
以下通过几个具体实施例来进一步说明实现本发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明的技术方案包含但不限于以下实施例。
实施例1
如图1，一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，包括原边和副边，交流电源接在原边的输入端通过原边整流桥Z0接入逆变器N，逆变器N和原边线圈LP之间依次连接有电压传感器VR、电流传感器IR、调谐装置和静态补偿电容CP，所述调谐装置包括并联的整流桥Z1和电容Ct，整流桥Z1的输出端接有BUCK电路，BUCK电路的输出端相连有电阻R，电压传感器VR和电流传感器IR的输出端与相位检测装置PD相连，相位检测装置PD输出端与控制单元CU的输入端连接，控制单元CU输出BUCK电路驱动信号。
这是本发明的一种最基本实施方案。采用静态的补偿电容CP对线圈电感进行初步的静态补偿，再采用调谐装置进行动态调谐；当无线电能传输系统发送端不谐振时，调谐装置能实时、精确调谐，而且其连续性好、调谐精度高，从而使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，进一步提高无线电能传输设备的传输功率和效率，与在发送端并联附加相控电感电路相比，不需要确定负载的变化范围就可以实现高精度的调谐。
实施例2
如图1，一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，包括原边和副边，交流电源接在原边的输入端通过原边整流桥Z0接入逆变器N，逆变器N和原边线圈LP之间依次连接有电压传感器VR、电流传感器IR、调谐装置和静态补偿电容CP，所述调谐装置包括并联的整流桥Z1和电容Ct，整流桥Z1的输出端接有BUCK电路，BUCK电路的输出端相连有电阻R，电压传感器VR和电流传感器IR的输出端与相位检测装置PD相连，相位检测装置PD输出端与控制单元CU的输入端连接，控制单元CU输出BUCK电路驱动信号。
所述整流桥Z0和整流桥Z1均为全桥。
所述相位检测装置PD可以采用现有的相位测试仪实现。
所述控制单元CU为带有控制程序的DSP控制器。
这是本发明的一种优选的实施方案。采用静态的补偿电容CP对线圈电感进行初步的静态补偿，再采用调谐装置进行动态调谐；当无线电能传输系统发送端不谐振时，调谐装置能实时、精确调谐，而且其连续性好、调谐精度高，从而使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，进一步提高无线电能传输设备的传输功率和效率，与在发送端并联附加相控电感电路相比，不需要确定负载的变化范围就可以实现高精度的调谐；所述整流桥Z0和整流桥Z1均为全桥，全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起，可以充分适合整流电路和工作电压；控制单元CU为带有控制程序的DSP控制器，即DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。
实施例3
如图1，一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，相位测量装置PD检测逆变器的输出电压和电流的相位得到相位差θ0，判断原边谐振状态；
步骤2，若步骤1判断原边不谐振，则控制单元CU输出驱动信号调节
BUCK电路，使BUCK电路的输入等效阻值达到参考阻值R0，且R0≥R，R为BUCK电路的输出端连接的电阻阻值；
步骤3，通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值分别达到小参考阻值R1和大参考阻值R2，BUCK电路的输入等效阻值达到小参考阻值R1时将相位检测装置检测到的相位值记为θ1，BUCK电路的输入等效阻值达到大参考阻值R2时将相位检测器检测到的相位值记为θ2；
步骤4，比较三个相位差值θ1、θ2和θ0的大小并作出以下判断，
若最小值为θ1，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R1，再回到步骤1；
若最小值为θ2，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R2，再回到步骤1；
若最小值为θ0，则直接回到步骤1。
这是本发明调谐方法的一种最基本实施方案。通过记录当前逆变器的输出电压和电流的相位差θ0及其控制单元设定的参考阻值R0，再将控制单元的参考阻值分别向小、向大偏移设定的调节量，并通过控制单元输出调节BUCK，使BUCK的输入等效阻值达到参考阻值，并实际测出大参考阻值和小参考阻值对应的相位差；最后找出大、小参考阻值和当前参考阻值对应的相位差中的最小值，再以最小相位差对应的参考阻值作为控制单元的当前参考阻值，使相位差变小，通过这样的一次或多次逼近即可使发送端电路的相位差处于设定的谐振范围，从而使发送端电路实时、动态地处于谐振状态或者谐振状态附近。
实施例4
如图1，一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，相位测量装置PD检测逆变器的输出电压和电流的相位得到相位差θ0，判断原边谐振状态；
步骤2，若步骤1判断原边不谐振，则控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路，使BUCK电路的输入等效阻值达到参考阻值R0，且R0≥R，R为BUCK电路的输出端连接的电阻阻值；
步骤3，通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值分别达到小参考阻值R1和大参考阻值R2，BUCK电路的输入等效阻值达到小参考阻值R1时将相位检测装置检测到的相位值记为θ1，BUCK电路的输入等效阻值达到大参考阻值R2时将相位检测器检测到的相位值记为θ2；
步骤4，比较三个相位差值θ1、θ2和θ0的大小并作出以下判断，
若最小值为θ1，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R1，再回到步骤1；
若最小值为θ2，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R2，再回到步骤1；
若最小值为θ0，则直接回到步骤1。
所述步骤1，判断原边谐振状态的方法，设定谐振相位差的固定参考值为β，θ0为相位检测装置的检测值，如果检测到|θ0|≥|β|，则判断原边不谐振。β的取值范围需要根据实际的情况和需求来定。
所述步骤2中，BUCK电路的输入等效阻值的参考阻值为R0，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的设定调节量为ΔR，所述小参考阻值R1＝R0-ΔR，大参考阻值R2＝R0+ΔR。ΔR没有具体的参考取值范围，但这个量的大小会影响调节速度和调节谐振的精度，需要根据实际需求调试。
所述步骤2中，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值是通过测量并采集BUCK电路的输入电压U和输入电流I求得BUCK电路的输入等效电阻的测量值Rx，然后比较测量值Rx和参考阻值R0，并通过PI控制的方式输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值。
所述步骤3中，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值是通过测量并采集BUCK电路的输入电压U和输入电流I求得BUCK电路的输入等效电阻的测量值Rx，然后比较测量值Rx与小参考阻值R1和大参考阻值R2，并通过PI控制的方式输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值。
这是本发明调谐方法的一种优选的实施方案。通过记录当前逆变器的输出电压和电流的相位差θ0及其控制单元设定的参考阻值R0，再将控制单元的参考阻值分别向小、向大偏移设定的调节量，并通过控制单元输出调节BUCK，使BUCK的输入等效阻值达到参考阻值，并实际测出大参考阻值和小参考阻值对应的相位差；最后找出大、小参考阻值和当前参考阻值对应的相位差中的最小值，再以最小相位差对应的参考阻值作为控制单元的当前参考阻值，使相位差变小，通过这样的一次或多次逼近即可使发送端电路的相位差处于设定的谐振范围，从而使发送端电路实时、动态地处于谐振状态或者谐振状态附近；利用电路谐振时，逆变器的输出电压和电流的相位差几乎为0或者在其附近的原理来动态补偿谐振回路，补偿了线路中不可测量的阻抗(比如发射端线圈的漏感和温度、湿度变化导致的阻抗漂移)所造成的谐振回路参数漂移。其调谐更精确、可靠，也即本发明的方法能实现更高精度的调谐，使发送端更接近理想的谐振状态，其有功功率更高，更好的提高无线电能传输设备的传输功率和效率。
实施例5
一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、初始时，静态补偿电容(CP)和调谐装置使发送端处于谐振状态；
B、相位测量装置(PD)检测逆变器的输出电压和电流的相位，如果检测到相位差|θ|≥|β|，则可以判断原边不谐振，其中θ＝θ0为相位检测装置的检测值，β为设定的固定值，即在相位差的绝对值小于|β|的范围内认为无线电能传输设备的发送端处于谐振状态；
C、若B步检测到发送端不谐振，然后，控制单元按设定的参考阻值R0的调节量ΔR得到一个小参考阻值R1，R1＝R0-ΔR和一个大参考阻值R2，R2＝R0+ΔR，并通过控制单元(CU)输出驱动信号，调节BUCK电路，使BUCK的输入等效阻值达到参考阻值；
D、先调控控制单元使BUCK的输入等效阻值达到小的参考阻值R1，将相位检测装置检测到的相位值记为θ1，再调控控制单元使BUCK的输入等效阻值达到大的参考值R2，并将相位检测器检测到的相位值记为θ2；
E、比较三个相位差值θ1、θ2和θ0的大小，如果最小值为θ1，则令当前参考阻值R0＝R1，转B步；如果最小值为θ2，则令当前参考阻值R0＝R2，转B步；如果最小值为θ0，直接转B步。

Claims (8)

1.一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，包括原边和副边，交流电源接在原边的输入端通过原边整流桥Z0接入逆变器N，其特征在于：逆变器N和原边线圈LP之间依次连接有电压传感器VR、电流传感器IR、调谐装置和静态补偿电容CP，所述调谐装置包括并联的整流桥Z1和电容Ct，整流桥Z1的输出端接有BUCK电路，BUCK电路的输出端相连有电阻R，电压传感器VR和电流传感器IR的输出端与相位检测装置PD相连，相位检测装置PD输出端与控制单元CU的输入端连接，控制单元CU输出BUCK电路驱动信号。
2.如权利要求1所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，其特征在于：所述整流桥Z0和整流桥Z1均为全桥。
3.如权利要求1所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置，其特征在于：所述控制单元CU为带有控制程序的DSP控制器。
4.如权利要求1所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，相位测量装置PD检测逆变器的输出电压和电流的相位得到相位差θ0，判断原边谐振状态；
步骤2，若步骤1判断原边不谐振，则控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路，使BUCK电路的输入等效阻值达到参考阻值R0，且R0≥R，R为BUCK电路的输出端连接的电阻阻值；
步骤3，通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值分别达到小参考阻值R1和大参考阻值R2，BUCK电路的输入等效阻值达到小参考阻值R1时将相位检测装置检测到的相位值记为θ1，BUCK电路的输入等效阻值达到大参考阻值R2时将相位检测器检测到的相位值记为θ2；
步骤4，比较三个相位差值θ1、θ2和θ0的大小并作出以下判断，
若最小值为θ1，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R1，再回到步骤1；
若最小值为θ2，则通过控制单元CU输出驱动信号调节使BUCK电路的输入等效阻值达到R2，再回到步骤1；
若最小值为θ0，则直接回到步骤1。
5.如权利要求4所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于：所述步骤1，判断原边谐振状态的方法，设定谐振相位差的固定参考值为β，θ0为相位检测装置的检测值，如果检测到|θ0|≥|β|，则判断原边不谐振。
6.如权利要求4所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于：所述步骤2中，BUCK电路的输入等效阻值的参考阻值为R0，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的设定调节量为ΔR，所述小参考阻值R1＝R0-ΔR，大参考阻值R2＝R0+ΔR。
7.如权利要求4所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于：所述步骤2中，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值是通过测量并采集BUCK电路的输入电压U和输入电流I求得BUCK电路的输入等效电阻的测量值Rx，然后比较测量值Rx和参考阻值R0，并通过PI控制的方式输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值。
8.如权利要求4所述的一种无线电能传输设备发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于：所述步骤3中，控制单元CU输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值是通过测量并采集BUCK电路的输入电压U和输入电流I求得BUCK电路的输入等效电阻的测量值Rx，然后比较测量值Rx与小参考阻值R1和大参考阻值R2，并通过PI控制的方式输出驱动信号调节BUCK电路的输入等效阻值。
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