CN108039776B - 效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法，适用于多单元耦合的双向无线电能传输系统，通过配置系统参数固定能量传递方向，再根据系统的相关电气参数，调节各能量接收单元或能量发射单元变换器出口电压幅值以实现传输效率最大化。本发明的参数配置方法简单、可靠且能使传输效率达到最优，在无线V2G、无线V2H等应用场合，该参数配置方法且更易于实施，具有很好的经济性和实用性。

Description

效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法
技术领域
本发明涉及一种参数配置方法，尤其涉及一种多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法。适用于以效率最优的多拾取单元或多供电单元的能量双向互动的无线电能传输领域，如无线V2G，无线V2H等应用场合。
背景技术
传统的无线电能传输技术只能实现能量从“源”至“荷”的单向过程，已经满足不了相应应用场合的需要。双向无线电能传输技术逐渐受到重视，在多单元双向无线电能传输领域，如何以最优的传输功率实现单发射单元同时向多拾取单元同时供电或者多发射单元同时向单拾取线圈供电，还未有较为简单而可靠的方法出现。如何通过简单而便捷的方法使系统减小损耗，使其工作在最优传输效率点上成为急需解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种简单、可靠、传输效率最优的多单元双向无线电能传输系统参数配置方法。
技术方案：本发明所述的一种效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法，包括以下步骤：
(1)多单元双向无线电能传输系统参数设置；
(2)通过配置系统参数固定能量传递方向；
(3)根据系统的相关电气参数，调节各能量接收单元或能量发射单元变换器出口电压幅值以实现传输效率最大化。
步骤(1)所述多单元双向无线电能传输系统由三个及以上单元构成，主要包括1号单元、2号单元、3号单元；每个单元均包含线圈、电容、H桥变换器、蓄电池，1号单元的线圈与2号单元、3号单元的线圈均隔空放置，中间存在有气隙。
步骤(1)所述的参数设置包括：2号单元和3号单元的线圈只与1号单元的线圈存在耦合；3个单元的H桥变换器工作角频率均与由线圈和电容构成的 LC串联谐振器谐振角频率一致。
所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)1号单元同时向2号单元、3号单元供电的参数设置：保持1号单元 H桥变换器出口电压相量U1的相位滞后于2号、3号单元H桥变换器出口电压相量U2、U3相位90°，2号、3号单元H桥变换器出口电压相量U2、U3相位相同；
(22)2号单元、3号单元同时向1号单元馈电的参数设置：保持1号单元 H桥变换器出口电压相量U1的相位超前于2号、3号单元H桥变换器出口电压相量U2、U3相位90°，2号、3号单元H桥变换器出口电压相量U2、U3相位相同。
所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)2号单元线圈与1号单元线圈间的互感为M12，3号单元线圈与1 号单元线圈间的互感为M13，M12与M13之间的比值为γ，γ＝M12/M13；
(33)调节2号单元、3号单元H桥变换器出口电压U2、U3的幅值，使其满足U2＝γU3，并设定U2＝mU1，U3＝nU1，即有m＝γn；
(33)调节U3的幅值，使其与U1的比值n满足
Figure BDA0001520232380000021
Figure BDA0001520232380000022
或
Figure BDA0001520232380000023
其中 A1＝k0γ+k2，B1＝λ1，C1＝2k1γ-λ0γ2-λ2，同时λ0、λ1、λ2以及k0、k1、k2均是与系统参数有关的代数式，λ0＝ω2M13 2+R1R3，λ1＝R2R3，λ2＝ω2M12 2+R1R2；k0＝ωM12R3， k1＝ω2M12M13，k2＝ωM13R2，式中R1、R2、R3分别为1号单元、2号单元和3号单元线圈的等效串联电阻；
(34)保持m＝γn，使系统工作于该设定的电压幅值点上。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、快速高效，本发明设计的系统简单明了，通过调节各个单元H桥出口电压向量，即可使系统工作在设定的电压幅值上，总的过程快速高效；2、运行可靠，每个单元协调工作，步骤明确严谨，保证了系统运行的可靠性；3、易于实施，本系统所包含的每个单元均包含有线圈、电容、H桥变换器、蓄电池等关键器件，构成并不复杂，不会对系统的搭建造成困难，因此易于实施；4、用简单便捷可靠的方法即可减小系统的损耗，使其工作在最优传输效率点上，解决了一个双向无线电能传输技术迫在眉睫的问题，在无线电能传输技术迅猛发展的环境下，该创新性设计迎合了市场需要，前景广阔参数配置简单、可靠、传输效率最优。
附图说明
图1为多单元双向无线电能传输系统拓扑结构图；
图2为多单元双向无线电能传输系统等效电路图；
图3为工作点n与互感M12及M13之间的关系图；
图4为系统传输效率与n的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明：
在附图1中，该多单元双向无线电能传输系统由1号单元、2号单元和3号单元组成，每个单元均包含线圈、电容、H桥变换器、蓄电池等关键器件，2号单元和3号单元线圈均与1号单元的线圈隔空放置，中间存在有气隙，2号单元和3号单元线圈分别与1号单元线圈存在耦合，互感分别为M12和M13，2号单元和3号单元线圈之间不存在耦合，M12与M13的比值γ＝M12/M13。
构成系统的3个单元其H桥变换器工作角频率均与由线圈和电容构成的LC 串联谐振器谐振角频率一致：
ω＝ω1＝ω2＝ω3＝1/sqrt(L1C1)＝1/sqrt(L2C2)＝1/sqrt(L3C3)
根据双向无线电能传输系统的工作原理，该多单元双向无线电能传输系统可用如附图2所示的等效电路来描述。
当需要实现1号单元同时向2号和3号单元供电时，保持1号单元H桥变换器出口电压相量U1的相位
Figure BDA0001520232380000034
滞后于2号和3号单元H桥变换器出口电压相量 U2、U3相位90°，2号和3号单元H桥变换器出口电压相量U2、U3相位相同。以2号单元H桥变换器出口电压相量U2的相位
Figure BDA0001520232380000035
为参考相位，那么
Figure BDA0001520232380000036
Figure BDA0001520232380000037
此时，各个单元的有功功率分别为：
Figure BDA0001520232380000031
Figure BDA0001520232380000032
Figure BDA0001520232380000033
其中，λ0＝ω2M13 2+R1R3，λ1＝R2R3，λ2＝ω2M12 2+R1R2，k0＝ωM12R3，k1＝ω2M12M13， k2＝ωM13R2，Γ＝ω2M12 2R3+ω2M13 2R2+R1R2R3。
分别调节2号单元和3号单元H桥变换器出口电压U2和U3的幅值，使两者之间首先满足U2＝γU3，那么有P2<0，P1>0，P3<0，系统实现了1号单元同时向2号单元和3号单元供电。再设定U2＝mU1，U3＝nU1，即有m＝γn，那么，系统的传输效率为：η1＝[C1n2+A1n]/[A1n+B1]，其中A1＝k0γ+k2，B1＝λ1， C1＝2k1γ-λ0γ2-λ2。式中R1、R2、R3分别为1号单元、2号单元和3号单元线圈的等效串联电阻。再调节U3的幅值，使其与U1的比值
Figure BDA0001520232380000041
Figure BDA0001520232380000042
以满足dη1/dn＝0；在调节U3幅值的同时，始终保持 m＝γn，以使系统工作于该设定的电压幅值点上。
当需要实现2号和3号单元同时向1号单元馈电时，保持1号单元H桥变换器出口电压相量U1的相位
Figure BDA0001520232380000047
超前于2号和3号单元H桥变换器出口电压相量 U2、U3相位90°，2号和3号单元H桥变换器出口电压相量U2、U3相位相同。以2号单元H桥变换器出口电压相量U2的相位
Figure BDA0001520232380000048
为参考相位，那么
Figure BDA0001520232380000049
Figure BDA00015202323800000410
此时，各个单元的有功功率分别为：
Figure BDA0001520232380000043
Figure BDA0001520232380000044
Figure BDA0001520232380000045
分别调节2号单元和3号单元H桥变换器出口电压U2和U3的幅值，使两者之间首先满足U2＝γU3，那么有P2>0，P1<0，P3>0，系统实现了2号单元和3 号单元同时向1号单元馈电。再设定U2＝mU1，U3＝nU1，即有m＝γn。那么，系统的传输效率为：η2＝[A1n-B1]/[A1n-C1n2]，再调节U3的幅值，使其与U1的比值
Figure BDA0001520232380000046
以满足dη2/dn＝0；在调节U3幅值的同时，始终保持m＝γn，以使系统工作于该设定的电压幅值点上。
图3为工作点n与互感M12及M13之间的关系图，图4为系统传输效率与n 的关系曲线图，图3中曲面上的所有点均为传输效率最优时n的取值，给定的横纵坐标范围均为5-20μH；如点(10,10,0.7)，此时γ＝1，对应图4中的曲线③，由该曲线可知，n＝0.7时效率最优，与图3中完全对应，验证了本专利中实施方法的可行性与正确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)多单元双向无线电能传输系统参数设置；所述多单元双向无线电能传输系统由三个单元构成，包括1号单元、2号单元、3号单元；每个单元均包含线圈、电容、H桥变换器、蓄电池，1号单元的线圈与2号单元、3号单元的线圈均隔空放置，中间存在有气隙；
(2)通过配置系统参数固定能量传递方向；
(3)根据系统的相关电气参数，调节各能量接收单元或能量发射单元H桥变换器出口电压幅值以实现传输效率最大化；
所述步骤(3)包括以下步骤：
(31)2号单元线圈与1号单元线圈间的互感为M12，3号单元线圈与1号单元线圈间的互感为M13，M12与M13之间的比值为γ，γ＝M12/M13；
(32)调节2号单元、3号单元H桥变换器出口电压的幅值U2、U3，使其满足U2＝γU3，并设定U2＝mU1，U3＝nU1，即有m＝γn；其中，U1为1号单元H桥变换器出口电压幅值；
(33)调节U3，实现1号单元同时向2号和3号单元供电时，使其与U1的比值n满足：
Figure FDA0002762030470000011
当需要实现2号和3号单元同时向1号单元馈电时，使其与U1的比值n满足：
Figure FDA0002762030470000012
其中，A1＝k0γ+k2，B1＝λ1，C1＝2k1γ-λ0γ2-λ2，同时λ0、λ1、λ2以及k0、k1、k2均是与系统参数有关的代数式，λ0＝ω2M13 2+R1R3，λ1＝R2R3，λ2＝ω2M12 2+R1R2；k0＝ωM12R3，k1＝ω2M12M13，k2＝ωM13R2，式中R1、R2、R3分别为1号单元、2号单元和3号单元线圈的等效串联电阻，ω是由线圈和电容构成的LC串联谐振器的谐振角频率；
(34)保持m＝γn，使系统工作于该设定的电压幅值点上。
2.根据权利要求1所述的一种效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法，其特征在于，步骤(1)所述的参数设置包括：2号单元和3号单元的线圈只与1号单元的线圈存在耦合；三个单元的H桥变换器工作角频率均与由线圈和电容构成的LC串联谐振器谐振角频率一致。
3.根据权利要求1所述的一种效率最优的多单元双向无线电能传输系统的参数配置方法，其特征在于，所述步骤(2)实现过程如下：
1号单元同时向2号单元、3号单元供电的参数设置：保持1号单元H桥变换器出口电压相量的相位滞后于2号、3号单元H桥变换器出口电压相量的相位90°，2号、3号单元H桥变换器出口电压相量相位相同；
2号单元、3号单元同时向1号单元馈电的参数设置：保持1号单元H桥变换器出口电压相量的相位超前于2号、3号单元H桥变换器出口电压相量相位90°，2号、3号单元H桥变换器出口电压相量相位相同。
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