CN107565709A - 一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法，涉及无线电能传输技术领域，采用变压器并联二极管全桥整流再级联DC/DC变换器作为调谐电路，利用测量线圈和相位检测装置测量接收边电压和电流相位差，根据检测到的相位差判断接收边谐振状态并通过调节DC/DC变换器的占空比调节变压器原边的等效阻抗进行实时调谐，能使接收边保持在谐振状态下运行，提高无线电能传输设备的传输效率。

Description

一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其是一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法。

背景技术

与传统的供电方式相比，无线电能传输系统有供电体和受电体之间非接触的优点，可以解决传统供电方式的不足，特别是针对轨道交通，可以解决传统牵引网和第三轨供电方式中由于移动磨损、供电体裸露等产生的问题，从而实现机车平稳安全供电。

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，主要包括发送端的直流电源、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，原理是逆变器将直流电逆变成高频的交流电，高频的交流电在发送线圈中产生高频交变磁场，接收线圈感应到发送线圈产生的高频交变的磁场，接收线圈中产生高频的交流电，经过整流器整流为直流电，向负载提供电能。

感应耦合无线电能传输装置的关键问题是系统的传输效率，尤其是大功率情况下，其中，负载的波动和谐振电路的失谐是影响系统效率的主要因素，由于电感、电容器件的容差、老化，导致电路参数会发生漂移，系统处于不谐振，从而影响系统的输出功率和传输效率，降低系统的性能，所以维持系统谐振非常重要。

许多研究者研究了动态调谐的方法通过调谐来提高系统效率，目前，动态调谐方法主要有频率跟踪、阻抗调节两大类，频率跟踪就是使逆变器的频率动态的跟踪谐振频率点，由于不需要增加额外的元器件和改变电路拓扑，实现简单，但是会出现频率分叉的现象，导致未能跟踪到谐振频率，另外多副边接收时不能运用此方法；采用阻抗调节方法，例如电容矩阵、可变电感、可变电容等方法，电容矩阵通过串并联电容组合实现动态调谐，但是只能工作在有限个离散电容值点上，调谐装置不能实时、精确；可变电感、可变电容的方法需要增加功率开关，开关用于控制交流电阻的阻抗时，必须与谐振电路中的高频电压或电流同步，需要采集高频信号和增加了开关损耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置及其调谐方法，该动态调谐装置能使接收端保持在谐振状态下运行，以提高接收端的有功功率，进而提高无线电能传输设备的传输功率和效率。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，

接收线圈Ls的一端串联补偿电容Cs、调谐变压器原边Lcp后连接到整流桥RA的一个输入端；接收线圈Ls的另一端串联解耦变压器原边Ldp、交流电流传感器IS后连接到整流桥RA的另一个输入端；RA的输出端并联直流滤波电容Ca后连接到DC/DC变换器DA的输入端，DA的输出端连接到负载R；

调谐变压器副边Lcs的两端连接到整流桥RB的输入端，RB的输出端并联直流滤波电容Cb后连接到DC/DC变换器DB的输入端，DB的输出端连接到负载R；

解耦变压器次边Lds和测量线圈Lm串联后连接到交流电压传感器UM，且测量线圈Lm与接收线圈Ls同轴并绕；

IS的输出端和UM的输出端经相位检测装置PD后连接到接收端控制器KS,KS的输出端分别连接到DA、DB的控制信号输入端；

直流电压传感器UO并联到负载R，UO的输出端连接到KS。

上述无线电能传输设备接收端动态调谐装置的调谐方法，包括步骤

A、初始时，设定输出电压的参考值为Uref、交流电压传感器UM测得的交流电压和交流电流传感器IS测得的电流的相位差参考值为0；

B、利用直流电压传感器UO测量负载电压URx,判断是否达到Uref；利用相位检测装置PD检测交流电压传感器UM测得的交流电压和交流电流传感器IS测得的电流的相位差δ，判断所述无线电能传输设备接收端的谐振状态；

C、若步骤B中判断URx未达到Uref，通过接收端控制器KS的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使URx达到Uref；若步骤B步中判断接收端不谐振，通过接收端控制器KS的另一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DB，使相位差δ趋近于参考值0。

D、返回步骤B。

进一步地，所述步骤B中，判断所述无线电能传输设备接收端的谐振状态的方法是：设定谐振相位差的固定参考值为β，如果|δ|≥|β|，则判定接收端不谐振。

进一步地，所述步骤C中，通过接收端控制器KS的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，以及通过接收端控制器KS的另一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DB，均采用PI控制算法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明中测量线圈电路能检测出接收端线圈上的感应电压相位，结合副边电流相位，再通过相位检测装置可测得系统接收边的感应电压和电流的相位差，可据此判断接收端的谐振程度，便于闭环控制。

二、本发明中采用变压器并联二极管全桥整流再级联DC/DC变换器作为调谐电路，通过调节DC/DC变换器的占空比，调节变压器原边的等效阻抗，补偿系统副边失谐产生的电抗，其中DC/DC变换器位于接收边的直流侧，不需要同步DC/DC变换器的开关，因此DC/DC变换器的开关频率可以远低于逆变器频率，减少开关损耗和控制的复杂性。

三、本发明中通过调节DC/DC变换器的占空比调节变压器原边的等效阻抗进行调谐，与电容矩阵方法等相比，连续性好，调谐精度高，使接收端更接近理想的谐振状态。

四、本发明中利用DC/DC变换器使输出电压构成闭环控制，在负载频繁波动的条件下，仍可以使输出电压保持不变。

附图说明

图1是本发明一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置的电路结构和控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，接收端包括依次连接的接收线圈(Ls)、补偿电容(Cs)、调谐装置、整流桥(RA)、直流滤波电容(Ca)、DC/DC变换器(DA)、负载(R)；其特征在于：

所述的调谐装置组成是变压器原边(Lcp)串联在补偿电容(Cs)和整流桥(RA)之间,副边依次连接为副边线圈(Lcs)、整流桥(RB)、直流滤波电容(Cb)、DC/DC变换器(DB)，DC/DC变换器(DB)的输出端并联在负载(R)两端；

所述的整流桥(RA)和接收线圈(Ls)之间还串联有解耦变压器原边(Ldp)、交流电流传感器(IS)，负载(R)上并联有直流电压传感器(UO)；

所述的解耦变压器的次边(Lds)、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；

所述的直流电压传感器(UO)的输出端与接收端控制器(KS)相连，交流电流传感器(IS)的输出端及交流电压传感器(UM)的输出端经相位检测装置(PD)后与接收端控制器(KS)相连,接收端控制器(KS)的输出分别与DC/DC变换器(DA)、DC/DC变换器(DB)的控制信号输入端连接。

使用本例的动态调谐装置对无线电能传输设备进行调谐的方法，其步骤是：

A、初始时，设定输出电压的参考值为Uref，交流电压传感器(UM)测得的交流电压和交流电流传感器(IS)测得的电流的相位差参考值为0；

B、利用直流电压传感器(UO)测量负载电压为URx,判断是否达到参考电压Uref，利用相位检测装置(PD)测得交流电压传感器(UM)测得的交流电压和交流电流传感器(IS)测得的电流的相位差为δ，判断副边谐振状态；

C、若B步中判断负载的测量电压URx未达到参考电压Uref，通过接收端控制器(KS)的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器(DA)，使负载电压达到参考电压Uref；若B步中判断副边不谐振，通过接收端控制器(KS)的另一路输出驱动信号调节DC/DC变换器(DB)，使相位差δ达到参考值0附近。

D、经C步后，若负载电压达到参考电压Uref，相位差δ达到参考值0附近，转B步。

图1中，还包括无线电能传输设备发送端直流源E、逆变器N、发送端控制器KP和发送线圈Lp。

Claims (4)

1.一种无线电能传输设备接收端动态调谐装置，其特征在于，

接收线圈Ls的一端串联补偿电容Cs、调谐变压器原边Lcp后连接到整流桥RA的一个输入端；接收线圈Ls的另一端串联解耦变压器原边Ldp、交流电流传感器IS后连接到整流桥RA的另一个输入端；RA的输出端并联直流滤波电容Ca后连接到DC/DC变换器DA的输入端，DA的输出端连接到负载R；

调谐变压器副边Lcs的两端连接到整流桥RB的输入端，RB的输出端并联直流滤波电容Cb后连接到DC/DC变换器DB的输入端，DB的输出端连接到负载R；

解耦变压器次边Lds和测量线圈Lm串联后连接到交流电压传感器UM，且测量线圈Lm与接收线圈Ls同轴并绕；

IS的输出端和UM的输出端经相位检测装置PD后连接到接收端控制器KS,KS的输出端分别连接到DA、DB的控制信号输入端；

直流电压传感器UO并联到负载R，UO的输出端连接到KS。

2.一种如权利要求1所述的无线电能传输设备接收端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括步骤

A、初始时，设定输出电压的参考值为Uref、交流电压传感器UM测得的交流电压和交流电流传感器IS测得的电流的相位差参考值为0；

B、利用直流电压传感器UO测量负载电压URx,判断是否达到Uref；利用相位检测装置PD检测交流电压传感器UM测得的交流电压和交流电流传感器IS测得的电流的相位差δ，判断所述无线电能传输设备接收端的谐振状态；

C、若步骤B中判断URx未达到Uref，通过接收端控制器KS的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使URx达到Uref；若步骤B步中判断接收端不谐振，通过接收端控制器KS的另一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DB，使相位差δ趋近于参考值0。

D、返回步骤B。

3.如权利要求2所述的调谐方法，其特征在于，所述步骤B中，判断所述无线电能传输设备接收端的谐振状态的方法是：设定谐振相位差的固定参考值为β，如果|δ|≥|β|，则判定接收端不谐振。

4.如权利要求2所述的调谐方法，其特征在于，所述步骤C中，通过接收端控制器KS的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，以及通过接收端控制器KS的另一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DB，均采用PI控制算法。