CN107707034B - 一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置及方法。发送端主要包括DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA、发送端补偿网络TC、发射线圈Lp；接收端主要包括接收线圈Ls、接收端补偿网络RC、整流桥Z、负载R和直流滤波电容Cd；发送端动态调谐装置主要包括全桥逆变器NB和变压器；全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输出端或输入端。本发明的有益效果是：直接测量逆变器的输出电压和电流的相位来判断原边谐振状态，简单有效、实时性好；动态调谐装置结构简单，全桥逆变器NB一直处于软开关状态，减小逆变器开关损耗；通过调节两逆变器的控制信号的相位差实时调谐，调节速度快，调谐精度高；利用DC/DC变换器使输出电压构成闭环控制保持输出恒压。
Description
技术领域
本发明涉及感应耦合无线电能传输设备中发送端的动态调谐装置及其调谐方法，特别是一种基于双逆变器的发送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，极大的提高了用电设备的灵活性，同时避免了传统接触式供电方式所具有的磨损、火花、漏电等问题，提高了设备供电的安全性，随着研究的不断深入，现在已广泛应用于电子产品、电动汽车、医疗器械等设备中。
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方式之一，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、发送端补偿电容，接收端的接收线圈、接收端补偿电容、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。
大功率的无线电能传输装置中，传输效率是关键问题，由于器件老化、升温，电磁耦合机构之间间距变化及横向偏移等原因，系统中的电容、电感等器件的参数将发生变化，使系统偏离谐振状态，导致系统的传输效率降低，同等功率需求下，系统对电源容量的需求也增加，降低系统的性能，所以需要维持系统的谐振状态。
目前，许多研究者研究了动态调谐的方法来提高系统效率，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基于双逆变器的发送端动态调谐装置及方法，该动态调谐装置能使发送端保持在谐振状态下运行，提高传输效率。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置，所述发送端包括依次相连的直流电源E、DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA、发送端补偿网络TC、发射线圈Lp；还包括接收端，接收端包括依次相连的接收线圈Ls、接收端补偿网络RC、整流桥Z、负载R以及并联在负载R两端的直流滤波电容Cd；
所述动态调谐装置包括全桥逆变器NB和变压器；全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输出端，全桥逆变器NB的输出端通过变压器原边补偿网络PC连接到变压器原边Lcp，变压器副边Lcs串联在全桥逆变器NA和发送端补偿网络TC之间；全桥逆变器NA和发送端补偿网络TC之间还串联有交流电流传感器IS,全桥逆变器NA的输出端还并联有交流电压传感器UM；交流电流传感器IS的输出端和交流电压传感器UM的输出端分别通过相位检测装置PD连接到发送端控制器KP，无线通信设备接收端WR也连接到发送端控制器KP；发送端控制器KP的输出驱动信号端分别连接到DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号输入端；负载R还并联有直流电压传感器UO，其输出端通过接收端控制器KS连接到无线通信设备发送端WF；无线通信设备发送端WF和无线通信设备接收端WR通过无线信道连接。
进一步地，所述全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输出端替换为：全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输入端。
一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置的调谐方法，包括：
设定全桥逆变器NA输出端的交流电压和交流电流之间的相位差参考值δref为0；
利用交流电压传感器UM测得全桥逆变器NA的输出电压，利用交流电流传感器IS测得全桥逆变器NA的输出电流，再利用相位检测装置PD比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，判断其是否达到相位差参考值δref附近；若相位差δ未达到参考值δref附近，通过发送端控制器KP调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号相位差来调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB输出电压的相位差，使发送端的输入阻抗改变，从而使全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ达到参考值δref附近；所述判断相位差δ是否达到参考值δref附近用于判断发送端是否处于谐振状态，设定谐振相位差的固定参考值为β，如果|δ|≤|β|，则δ达到参考值δref附近，发送端谐振。
其中，所述利用相位检测装置PD比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，判断其是否达到相位差参考值δref附近，采用PI控制算法。
进一步地，还包括：设定输出电压的参考值为Uref；利用直流电压传感器UO测得负载电压URx,判断其是否达到输出电压的参考值Uref；若负载电压URx未达到输出电压的参考值Uref，通过发送端控制器KP的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压URx达到输出电压的参考值Uref。
其中，所述通过发送端控制器KP的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压URx达到输出电压的参考值Uref，采用PI控制算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明中采用直接测量逆变器的输出电压和电流的相位来判断原边谐振状态，该方法简单有效、实时性好。
二、本发明中调谐装置结构相对简单，全桥逆变器NB一直处于软开关状态，通过谐振调节，可使全桥逆变器NA保持在软开关运行，减小逆变器开关损耗；而且通过调节两逆变器的控制信号的相位差可实时调谐，调节速度快，调谐精度高。
三、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是本发明的电路结构和控制示意图。
具体实施方式
具体实施例中，电路结构和控制如图1所示：
发送端包括依次相连的直流电源E、DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA、发送端补偿网络TC、发射线圈Lp；还包括接收端，接收端包括依次相连的接收线圈Ls、接收端补偿网络RC、整流桥Z、负载R以及并联在负载R两端的直流滤波电容Cd；
动态调谐装置包括全桥逆变器NB和变压器；全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输出端(开关S连接到1处)，全桥逆变器NB的输出端通过变压器原边补偿网络PC连接到变压器原边Lcp，变压器副边Lcs串联在全桥逆变器NA和发送端补偿网络TC之间；全桥逆变器NA和发送端补偿网络TC之间还串联有交流电流传感器IS,全桥逆变器NA的输出端还并联有交流电压传感器UM；交流电流传感器IS的输出端和交流电压传感器UM的输出端分别通过相位检测装置PD连接到发送端控制器KP，无线通信设备接收端WR也连接到发送端控制器KP；发送端控制器KP的输出驱动信号端分别连接到DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号输入端；负载R还并联有直流电压传感器UO，其输出端通过接收端控制器KS连接到无线通信设备发送端WF；无线通信设备发送端WF和无线通信设备接收端WR通过无线信道连接。
当开关S连接到2处时，全桥逆变器NB的输入端替换为并联在DC/DC变换器DA的输入端。
上述两种电路结构，其调谐方法都为：设定全桥逆变器NA输出端的交流电压和交流电流之间的相位差参考值δref为0；利用交流电压传感器UM测得全桥逆变器NA的输出电压，利用交流电流传感器IS测得全桥逆变器NA的输出电流，再利用相位检测装置PD比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，判断其是否达到相位差参考值δref附近；若相位差δ未达到参考值δref附近，通过发送端控制器KP调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号相位差来调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB输出电压的相位差，使发送端的输入阻抗改变，从而使全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ达到参考值δref附近；所述判断相位差δ是否达到参考值δref附近用于判断发送端是否处于谐振状态，设定谐振相位差的固定参考值为β，如果|δ|≤|β|，则δ达到参考值δref附近，发送端谐振。
还包括：设定输出电压的参考值为Uref；利用直流电压传感器UO测得负载电压URx,判断其是否达到输出电压的参考值Uref；若负载电压URx未达到输出电压的参考值Uref，通过发送端控制器KP的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压URx达到输出电压的参考值Uref。此时，直流电压传感器UO测量负载电压URx，接收端控制器KS通过无线通信设备发送端WF将负载电压URx传输到无线通信设备接收端WR后传入发送端控制器KP。本步骤可使输出端恒压。
上述方法中，利用相位检测装置PD比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，判断其是否达到相位差参考值δref附近，可以采用PI控制算法。通过发送端控制器KP的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压URx达到输出电压的参考值Uref，也可以采用PI控制算法。
Claims (3)
1.一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置，所述发送端包括依次相连的直流电源E、DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA、发送端补偿网络TC、发射线圈Lp；还包括接收端，接收端包括依次相连的接收线圈Ls、接收端补偿网络RC、整流桥Z、负载R以及并联在负载R两端的直流滤波电容Cd；其特征在于：
所述动态调谐装置包括全桥逆变器NB和变压器；全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输出端，全桥逆变器NB的输出端通过变压器原边补偿网络PC连接到变压器原边Lcp，变压器副边Lcs串联在全桥逆变器NA和发送端补偿网络TC之间；全桥逆变器NA和发送端补偿网络TC之间还串联有交流电流传感器IS,全桥逆变器NA的输出端还并联有交流电压传感器UM；交流电流传感器IS的输出端和交流电压传感器UM的输出端分别通过相位检测装置PD连接到发送端控制器KP，无线通信设备接收端WR也连接到发送端控制器KP；发送端控制器KP的输出驱动信号端分别连接到DC/DC变换器DA、全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号输入端；负载R还并联有直流电压传感器UO，其输出端通过接收端控制器KS连接到无线通信设备发送端WF；无线通信设备发送端WF和无线通信设备接收端WR通过无线信道连接；所述相位检测装置PD用于比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，所述发送端控制器KP用于根据相位差δ调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号相位差来调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB输出电压的相位差，使得所述基于双逆变器的发送端谐振；
所述发送端控制器KP还用于输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压达到输出电压的参考值。
2.如权利要求1所述的一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置，其特征在于，所述全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输出端替换为：全桥逆变器NB的输入端并联在DC/DC变换器DA的输入端。
3.如权利要求1或2所述的一种基于双逆变器的发送端动态调谐装置的调谐方法，其特征在于，包括：
设定全桥逆变器NA输出端的交流电压和交流电流之间的相位差参考值δref为0；
利用交流电压传感器UM测得全桥逆变器NA的输出电压，利用交流电流传感器IS测得全桥逆变器NA的输出电流，再利用相位检测装置PD比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，判断其是否达到相位差参考值δref附近；若相位差δ未达到参考值δref附近，通过发送端控制器KP调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB的控制信号相位差来调节全桥逆变器NA和全桥逆变器NB输出电压的相位差，使发送端的输入阻抗改变，从而使全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ达到参考值δref附近；所述判断相位差δ是否达到参考值δref附近用于判断发送端是否处于谐振状态，设定谐振相位差的固定参考值为β，如果|δ|≤|β|，则δ达到参考值δref附近，发送端谐振；
所述利用相位检测装置PD比较全桥逆变器NA的输出电压和输出电流的相位差δ，判断其是否达到相位差参考值δref附近，采用PI控制算法；
还包括：设定输出电压的参考值为Uref；利用直流电压传感器UO测得负载电压URx,判断其是否达到输出电压的参考值Uref；若负载电压URx未达到输出电压的参考值Uref，通过发送端控制器KP的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压URx达到输出电压的参考值Uref；
所述通过发送端控制器KP的一路输出驱动信号调节DC/DC变换器DA，使负载电压URx达到输出电压的参考值Uref，采用PI控制算法。
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