CN107508389A - 一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法。包括发射模块、接收模块、无线通信模块，所述发射模块包括依次连接的高频逆变电路、发射侧补偿网络、发射线圈，所述发射线圈为两个以上正交线圈组成，还包括一中央处理单元；所述接收模块包括依次连接的接收线圈、接受侧补偿网络、高频整流电路、接收侧电能转换电路、负载、采样反馈电路；中央处理单元用于实现发射线圈、接收线圈、采样反馈电路数据的接收及处理，以实现全方向无线电能传输。本发明实现了全方向无线电能传输，通过全方向扫描并增加通信模块实现最大效率策略的无线电能传输，实现方法简便易行；采用时分复用充电方法，可以动态满足所有负载的充电需求，并可以定制需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法。
背景技术
无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是一项有广泛应用前景的技术。它具有使用便捷、充电安全、能在恶劣环境下工作等优势，可被用于电动汽车、智能家居、可植入医疗、井下作业等领域。虽然特斯拉等科学家在20世纪初就进行了这项技术的相关研究，但受限于理论、经费等因素，但直到最近几年它才开始迅速发展成一个新兴的行业。一般来讲，无线电能传输方式可以分为远电磁场辐射式和近电磁场耦合式。
谐振式无线电能传输由于传输距离及功率等级适中，在无线电能传输技术中的适用最为广泛。其典型拓扑结构如图1所示，包括：功率因数校正电路、高频逆变电路、发射侧补偿网络、磁耦合系统、接收侧补偿网络、高频整流电路及功率电压调节电路。
发射侧及接收侧之间通过磁耦合结构实现无线电能传输。但是目前现有全方向无线电能传输技术中一对一线圈难以实现全方向无线电能传输(OWPT，Omnidirectionalwireless power transfer)，基于三维正交发射线圈磁耦合结构的全方向无线电能传输技术近年得到关注。三维正交的发射线圈能够通过改变发射线圈电流大小、相位、相位角等值实现全方向的磁场大小及方向控制，从而当接收线圈为普通螺旋线圈时能够通过控制发射线圈的不同线圈电流大小、相位、相位角等实现接收任意方向上的磁场能量，接收设备能够在有限半径范围内任意移动。但是现有全方向无线电能传输的控制策略及电路拓扑研究仍旧处于初级阶段，没有能够较实用的方法实现高效率中远距离无线电能传输。
现有技术：
1、两耦合线圈正对方案及其衍生
现有Qi标准无线充电等大部分采用双平面螺旋形线圈或屏幕矩形线圈对应结构如图2所示。该结构质量轻，设计简单，线圈Q值较高，能够实现较高效率的一对一点对点无线充电，缺点是磁场泄露较严重，位置自由度低，两线圈只有在正对排列时才能达到最高效率。
为了实现更大的移动自由度，申请号201310156410.0《一种无线充电设备》如图3、以及香港城市大学等提出多种阵列发射线圈结构如图4，其接收线圈均为普通螺线形线圈。阵列发射线圈能够实现平面一定自由度的无线充电，但是其线圈布置复杂，至少需要3层PCB，线圈损耗较大，而且在两线圈间存在磁场能量较低位置，磁场均匀度较差。
上述方案正对发射侧线圈和接收侧线圈的相对位置是相对固定的，必须保证在垂直方向两者没有错位，这样限制了无线充电装置使用的便捷性。阵列化的线圈由于各线圈紧密或交替排列，产生的磁场相互抵消了一部分，总磁场强度与单个线圈相比，大大减弱。所以为了达到足够的功率，往往通过提高输入的电压或电流，这样不仅对系统容量有更高的要求，而且电力电子半导体器件的电压电流应力增大，损耗也增大，也就是说对于系统性能要提高，成本也相应提高。
2、三维正交线圈文献及专利介绍
三维正交线圈结构较早用于核磁共振检测线圈结构。文献[1]提出采用单端输入的方式实现全方向的无线电能传输，这种相同电流的方案虽能实现全方向磁场，但是该磁场不能在周围空间内均匀分布。Bang-Jun Che等人在互相正交的线圈中引入相位差为90度的电流源，创造出可旋转的磁场，从而实现全方向无线电能传输，同样这种方案产生的磁场不会完全均匀，会在某些方位实现较大的效率[2]，该文献为目前我们所知最早三维正交发射线圈仿真。香港大学的S.Y.Hui教授团队则是采用三维正交发射线圈的移相控制，可以实现全方向的均匀磁场分布，并通过发送线圈的传输功率推算负载位置[3,4]。同时申请了有关全方向无线电能传输的负载位置检测和功率控制方法的PCT专利[5]，提出最大功率传输方法，该方法实现较复杂，不能够准确识别异物。重庆大学申请的专利《多相位激励-全空间拾取的无线传能系统及其控制方法》[6],通过计算发射和接收线圈间互感来实现最优传递，实际两线圈间互感需要精确仪器测量，尤其在两线圈间距较远时其互感较小，难以使用仪器精确测量。并且以上专利均采用S/S型补偿网络，该补偿网络难以适用多负载及变化负载情况。所以，一个精确有效的全方向无线电能传输的寻优策略及其结构具有较强的实用性和研究价值。
参考文献：
[1]Kim D,Seo C.Omnidirectional Resonator in X-Y Plane Using aCrisscross Structure for Wireless Power Transfer[J].Journal ofElectromagneticEngineering&Science,2015.
[2]Che B J,Yang G H,Meng F Y,et al.Omnidirectional non-radiativewireless power transfer with rotating magnetic field and efficiencyimprovement by metamaterial[J].Applied Physics A,2014,116(4):1579-1586.
[3]Lin D,Zhang C,Hui S YR.Mathematical Analysis of OmnidirectionalWireless Power Transfer—Part-I:Two-Dimensional Systems[J].IEEE Transactionson Power Electronics,2016,32(1):625-633.
[4]Lin D,Zhang C,Hui S YR.MathematicAnalysis of OmnidirectionalWireless Power Transfer—Part-II Three-Dimensional Systems[J].IEEETransactions on Power Electronics,2017,32(1):613-624.
[5]Zhang X,Aldana C H,Homchaudhuri S,et al.Systems and methods ofoffloaded positioning for determining location of WLAN nodes:,US 9332523 B2[P].2016.
[6]叶兆虹,孙跃,戴欣,唐春森,朱婉婷.多相位激励-全空间拾取的无线传能系统及其控制方法[P].重庆：CN106026417A,2016-10-12.。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法，通过在发送线圈与接收线圈之间增加无线通信模块，将充电负载与功率源之间的功率信息进行交换，从而定位负载和识别异物，实现效率最优或传输功率最优的全方向无线电能传输。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种全方向无线电能传输系统，包括发射模块、接收模块、无线通信模块，所述发射模块包括依次连接的高频逆变电路、发射侧补偿网络、发射线圈，所述高频逆变源输入端连接至直流源，所述发射线圈为两个以上正交线圈组成，所述发射模块还包括一与所述高频逆变电路连接的中央处理单元；所述接收模块包括依次连接的接收线圈、接受侧补偿网络、高频整流电路、接收侧电能转换电路、负载、采样反馈电路；所述无线通信模块用于实现接收线圈及采样反馈电路与中央处理单元的通信；所述中央处理单元用于实现发射线圈、接收线圈、采样反馈电路数据的接收及处理，以实现全方向无线电能传输。
在本发明一实施例中，所述高频逆变电路为E类功放、半桥或全桥电路，直流源经E类功放、半桥或全桥电路逆变为开关频率为100k～30MHz的高频交流，作为高频逆变源为发射线圈供能；所述高频逆变源为三个独立的高频逆变源为三个发射线圈供能，或由一个高频逆变源经移相电路为三个发射线圈供能。
在本发明一实施例中，所述发射侧补偿网络、接收侧补偿网络为串联补偿、并联补偿或多阶补偿，用于补偿无功分量及提高系统效率。
在本发明一实施例中，所述发射线圈由三个正交螺线管型线圈、平面螺旋形线圈组成。
在本发明一实施例中，所述接收线圈为单个螺线管型或者平面螺旋形线圈以及其衍生线圈。
在本发明一实施例中，所述高频整流电路为半桥整流、全桥整流或同步整流模块。
在本发明一实施例中，所述接收侧电能转换电路为DC/DC转换拓扑。
在本发明一实施例中，所述负载为电阻、电感、电容、电池中的一种或多种组合成的用于释放电能的电子产品、元件。
在本发明一实施例中，所述原副边通讯模块为无线通讯、载波通讯或有线通讯。
本发明还提供了一种基于上述所述的全方向无线电能传输系统的寻优控制方法，包括如下步骤，
S1、基于毕奥-萨伐尔定律推导出，线圈周围的磁场矢量与线圈的电流矢量成线性对应关系，通过调节电流矢量即可实现全方向的磁场分布：
设圆形线圈在xoy平面上，由毕奥-萨伐尔定律知，圆形线圈的电流元在空间任意点P(x,y,z)产生的磁感应强度为：
其中，为电流元指向空间P点的矢量，μ0为真空磁导率；由于线圈上的微小单元及为：
其中，R为线圈半径，θ表示电流元与x轴的夹角，故有
其中，B1x，B1y，B1z表示圆形线圈1在空间P点产生的磁场强度分别在x,y,z轴方向的分量，电流元与P点的距离为
因此，由式(5)可知，线圈周围的磁场矢量与线圈电流矢量成线性对应关系，正交线圈形成的磁场即可通过线性叠加得到：
其中，下标1，2，3分别表示正交线圈中圆形线圈1，2，3；Bx，By，Bz为三个线圈在x,y,z方向总磁场强度；
S2、将单位空间进行N等分，得出指向每一单元所对应的电流矢量Ik；
S3、对发射线圈进行周期性全方向的扫描，实时获取负载的电压、电流值，建立负载所在的方位与充电功率大小的对应关系，实现负载的定位；由于采用全方向扫描方式，可以简化多负载同时在线的复杂模型，建立单负载的模型；
考虑二维平面的单一负载情况，由基尔霍夫定律可得：
其中，U1,U2,I1,I2,I3表示为线圈的电压和电流，Ui表示第i个线圈的电压，Ii表示第i个线圈的电流；R1，R2，R3，X1，X2，X3为阻抗情况，Ri表示第i个线圈的电阻，Xi表示第i个线圈的电抗，它们都为已知或可测量的参数，因此可以得到未知负载的参数RL，M13，M23，RL为负载电阻，M13表示线圈1，3之间的互感，M23表示线圈2，3之间的互感；
S4、通过跟踪优化算法，对周围空间的M个负载进行时分复用充电，从而实现总体电能传输效率最优。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了全方向无线电能传输，通过全方向扫描并增加通信模块实现最大效率策略的无线电能传输，其实现方法简便易行；
2、本发明采用高速无线通信能够快速识别负载实际情况，同时能够实现异物识别以及控制电磁辐射，安全可靠；
3、本发明采用时分复用充电方法，可以动态满足所有负载的充电需求，并可以定制需求。
附图说明
图1为典型无线电能传输结构框图。
图2为两耦合线圈方案。
图3为现有一种无线充电设备。
图4为香港城市大学提出多个线圈层叠排列作为发射侧线圈方案。
图5为本发明全方向无线电能传输系统结构图。
图6为三个正交螺线管型线圈结构图。
图7为接收线圈结构示意图。
图8为单一线圈在空间任意点P的示意图。
图9为单位平面的N等分。
图10为系统负载跟踪优化控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图5所示，本发明的一种全方向无线电能传输系统。其硬件系统结构包括：高频逆变电路1、发射侧补偿网络2、发射线圈3、接收线圈4、接受侧补偿网络5、高频整流电路6、接收侧电能转换电路7、负载8、原副边通讯模块(即无线通信模块9)、采样反馈电路10、中央处理单元11。
所述高频逆变源由直流源经E类功放或半桥或全桥电路逆变成开关频率为100k～30MHz的高频交流，作为高频逆变源为发射线圈供能。系统可以由三个独立控制的高频逆变源为三个发射线圈供能，也可以由一个高频逆变源经过移相电路为三个发射线圈供能。
所述发射侧补偿网络及接收侧补偿网络可以为串联补偿、并联补偿、多阶补偿(LLC、LCC、π型)等，用于补偿无功分量及提高系统效率。
如图6所示，所述发射线圈为两个以上正交线圈组成，典型应用为三个正交螺线管型、平面螺旋形线圈组成。
如图7所示，所述接收线圈为单个螺线管型(图7a所示)或者平面螺旋形线圈(图7b所示)以及其衍生线圈。
所述高频整流电路为半桥整流、全桥整流或同步整流模块。
所述接收侧电能转换电路为DC/DC转换拓扑，可以为Boost、Buck、Cuk、Buck-Boost、Zeta、Sepic及其变形。
所述负载可以为电阻、电感、电容、电池以及以上组合成的用于释放电能的电子产品、元件。
所述原副边通讯模块可以为无线通信模块如蓝牙通讯、RFID通讯、Zigbee，以及载波通讯或有线通讯等通讯方式。
所述电压电流采样模块通过AD采样接收线圈或者负载端接收的电压、电流信号，转换为数字信号经过通讯模块传送给中央处理单元进行数据处理。
所述中央处理器可以为单片机、计算机、手机等能够进行数据处理及通信。中央处理器通过收集反馈信号后采用策略控制高频交流源的驱动控制某一发射线圈的电流幅值、相位角、频率，也可以控制输入直流源的大小及开断。中央处理器可以外接人机交互界面如显示屏、键盘等输入输出设备，进行人工控制。
本发明全方向无线电能传输系统的具体寻优控制策略(方法)如下：
1、基于毕奥-萨伐尔定律推导出，线圈周围的磁场矢量与线圈的电流矢量成线性对应关系，通过调节电流矢量即可实现全方向的磁场分布。
如图8所示，线圈1在xoy平面上，由毕奥-萨伐尔定律知，圆形线圈1的电流元在空间任意点P(x,y,z)产生的磁感应强度为：
图中
故有
其中，B1x，B1y，B1z表示圆形线圈1在空间P点产生的磁场强度分别在x,y,z轴方向的分量，电流元与P点的距离为
因此，由式(5)可知，线圈周围的磁场矢量与线圈电流矢量成线性对应关系，正交线圈形成的磁场即可通过线性叠加得到：
其中，下标1，2，3分别表示正交线圈中圆形线圈1，2，3；Bx，By，Bz为三个线圈在x,y,z方向总磁场强度。
2、如图9所示，将单位空间进行N等分，得出指向每一单元所对应的电流矢量Ik。
3、对发射线圈进行周期性全方向的扫描，利用无线通信模块实时获取特定代码的负载的电压、电流值，建立负载所在的方位与充电功率大小的对应关系，即可实现负载的定位。由于采用全方向扫描方式，可以简化多负载同时在线的复杂模型，建立单负载的模型。
考虑二维平面的单一负载情况，由基尔霍夫定律可得：
其中，U1,U2,I1,I2,I3表示为线圈的电压和电流，Ui表示第i个线圈的电压，Ii表示第i个线圈的电流；R1，R2，R3，X1，X2，X3为阻抗情况，Ri表示第i个线圈的电阻，Xi表示第i个线圈的电抗，它们都为已知或可测量的参数，因此可以得到未知负载的参数RL，M13，M23，RL为负载电阻，M13表示线圈1，3之间的互感，M23表示线圈2，3之间的互感；
4、通过跟踪优化算法，如图10所示，对周围空间的M个负载进行时分复用充电，从而实现总体电能传输效率最优。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：包括发射模块、接收模块、无线通信模块，所述发射模块包括依次连接的高频逆变电路、发射侧补偿网络、发射线圈，所述高频逆变源输入端连接至直流源，所述发射线圈为两个以上正交线圈组成，所述发射模块还包括一与所述高频逆变电路连接的中央处理单元；所述接收模块包括依次连接的接收线圈、接受侧补偿网络、高频整流电路、接收侧电能转换电路、负载、采样反馈电路；所述无线通信模块用于实现接收线圈及采样反馈电路与中央处理单元的通信；所述中央处理单元用于实现发射线圈、接收线圈、采样反馈电路数据的接收及处理，以实现全方向无线电能传输。
2.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述高频逆变电路为E类功放、半桥或全桥电路，直流源经E类功放、半桥或全桥电路逆变为开关频率为100k～30MHz的高频交流，作为高频逆变源为发射线圈供能；所述高频逆变源为三个独立的高频逆变源为三个发射线圈供能，或由一个高频逆变源经移相电路为三个发射线圈供能。
3.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述发射侧补偿网络、接收侧补偿网络为串联补偿、并联补偿或多阶补偿，用于补偿无功分量及提高系统效率。
4.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述发射线圈由三个正交螺线管型线圈、平面螺旋形线圈组成。
5.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述接收线圈为单个螺线管型或者平面螺旋形线圈以及其衍生线圈。
6.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述高频整流电路为半桥整流、全桥整流或同步整流模块。
7.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述接收侧电能转换电路为DC/DC转换拓扑。
8.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述负载为电阻、电感、电容、电池中的一种或多种组合成的用于释放电能的电子产品、元件。
9.根据权利要求1所述的一种全方向无线电能传输系统，其特征在于：所述无线通信模块为无线通讯、载波通讯或有线通讯。
10.一种基于权利要求1-9任一所述的全方向无线电能传输系统的寻优控制方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、基于毕奥-萨伐尔定律推导出，线圈周围的磁场矢量与线圈的电流矢量成线性对应关系，通过调节电流矢量即可实现全方向的磁场分布：
设圆形线圈在xoy平面上，由毕奥-萨伐尔定律知，圆形线圈的电流元在空间任意点P(x,y,z)产生的磁感应强度为：
其中，为电流元指向空间P点的矢量，μ0为真空磁导率；由于线圈上的微小单元及为：
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其中，B1x，B1y，B1z表示圆形线圈1在空间P点产生的磁场强度分别在x,y,z轴方向的分量，电流元与P点的距离为
因此，由式(5)可知，线圈周围的磁场矢量与线圈电流矢量成线性对应关系，正交线圈形成的磁场即可通过线性叠加得到：
<mrow>
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</mrow>
其中，下标1，2，3分别表示正交线圈中圆形线圈1，2，3；Bx，By，Bz为三个线圈在x,y,z方向总磁场强度；
S2、将单位空间进行N等分，得出指向每一单元所对应的电流矢量Ik；
S3、对发射线圈进行周期性全方向的扫描，实时获取负载的电压、电流值，建立负载所在的方位与充电功率大小的对应关系，实现负载的定位；由于采用全方向扫描方式，可以简化多负载同时在线的复杂模型，建立单负载的模型；
考虑二维平面的单一负载情况，由基尔霍夫定律可得：
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<mfenced open = "[" close = "]">
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<mtr>
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<mi>I</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，U1,U2,I1,I2,I3表示为线圈的电压和电流，Ui表示第i个线圈的电压，Ii表示第i个线圈的电流；R1，R2，R3，X1，X2，X3为阻抗情况，Ri表示第i个线圈的电阻，Xi表示第i个线圈的电抗，它们都为已知或可测量的参数，因此可以得到未知负载的参数RL，M13，M23，RL为负载电阻，M13表示线圈1，3之间的互感，M23表示线圈2，3之间的互感；
S4、通过跟踪优化算法，对周围空间的M个负载进行时分复用充电，从而实现总体电能传输效率最优。
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