CN108155729A - 一种本征角频率控制磁谐振ss型无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，包括恒定频率交流电源U_S、原边谐振器、副边谐振器和负载；原边谐振器包括串联连接的原边发射线圈和原边可调电容，原边电感线圈具有原边线圈内阻，原边电容的容值可通过控制进行调节；副边谐振器包括串联连接的副边接收线圈和副边可调电容，副边电感线圈具有副边线圈内阻，副边可调电容的容值可通过控制进行调节。本发明利用恒定频率交流电源U_S对系统进行供电，通过调节原、副边谐振器的可调电容的容值，对系统的本征角频率进行控制，使其追踪交流电源的工作角频率，实现稳定、高效的无线电能传输。

Description

一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输技术可以实现电源与用电设备之间的完全电气隔离，具有安全、可靠、灵活的优点。早在19世纪末，尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)利用无线电能传输原理，在没有任何导线连接的情况下点亮了一盏灯泡。基于磁耦合谐振式的无线电能传输是MIT的学者在无线电能传输领域取得的突破性进展，自2007年被公开发表以来在无线电能传输领域引起了非常大的反响，越来越多的学者加入到无线电能传输技术的基础研究和应用开发中来。

目前的无线电能传输系统根据耦合的强弱可以分为两类。系统耦合的强弱由传输距离决定。当原边谐振器和副边谐振器间的距离较近时，系统将会进入强耦合状态；反之将处于弱耦合状态。在弱耦合工作条件下，系统的输出功率在系统工作频率等于原、副边固有频率处取得最大值。而在强耦合工作条件下，系统会出现无线电能传输系统特有的频率分裂现象，即系统的输出功率峰值分裂成两个点，分别位于原、副边固有频率的两侧。频率分裂的本质即系统的本征频率由两个共轭复根变为两个不同的实根。为了保证系统的输出功率，许多解决方案被提出。目前已有的解决方案主要有三种类型：MPPT，追踪原边电压、电流零相位点，追踪原边电压和副边电流零相位点。而以上三种类型都是对系统的工作频率进行改变。然而在很多的实际应用中，需要系统的工作频率符合相关标准。工作频率被限制在一定的频带内。因此变频控制的适用性偏低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于可调电容实现的本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，是通过控制系统双侧的可调电容对系统的本征角频率进行调节，使得本征角频率追踪恒定的电源角频率，该系统可以解决频率的适应性问题，同时该系统的传输效率和输出功率在强耦合工作状态下保持不变，实现了恒稳的无线电能传输。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，所述系统由恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；

所述恒定频率交流电源U_S与原边谐振器相连，其工作频率f_S及工作角频率ω_s＝2πf_S保持不变；

所述原边谐振器由原边可调电容C_s1和原边电感线圈L₁串联而成，所述原边电感线圈L₁具有原边线圈内阻R_S1，所述原边谐振器具有固有谐振角频率和原边内阻损耗系数γ₁＝R_S1/2L₁；

所述副边谐振器由副边可调电容C_s2和副边电感线圈L₂串联而成，所述副边电感线圈L₂具有副边线圈内阻R_S2，所述副边谐振器具有固有谐振角频率和副边内阻损耗系数γ₂＝R_S2/2L₂；

所述负载R_L与副边谐振器相连，对应于负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；

所述原边谐振器和副边谐振器通过磁场相互耦合，耦合的强度由互感M或耦合系数表征；

所述原边可调电容和副边可调电容的容值由外部信号进行控制，从而调节原边谐振器的固有角频率ω₁和副边谐振器的固有角频率ω₂，使所述系统的本征角频率ω_e与恒定频率交流电源的工作角频率ω_s保持相同。

所述系统的本征角频率ω_e由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、耦合系数、原边谐振器的固有角频率和副边谐振器的固有角频率确定；所述系统的交流电源角频率与本征角频率相同时，所述系统的交流电源输出电压基波有效值U_S和交流电源输出电流基波有效值I_S满足关系：所述系统的电源输出电压基波相量和交流电源输出电流基波相量的相位差满足关系：其中为系统的电源输出电压基波相量的相角值，为系统的电源输出电流基波相量的相角值。

所述原边可调电容C_s1的电压基波有效值U_C1和电流基波有效值有效值I_C1满足关系：I_C1＝ω_SC_s1U_C1；所述原边可调电容电压基波相量和电流基波相量之间的相位差满足关系：其中为系统的原边可调电容电压基波相量的相角值，为系统的原边可调电容电流基波相量的相角值；所述副边可调电容C_s2的电压基波有效值U_C2和电流基波有效值I_C2满足关系：I_C2＝ω_SC_s2U_C2；所述副边可调电容电压基波相量和电流基波相量之间的相位差满足关系：其中为系统的副边可调电容电压基波相量的相角值，为系统的副边可调电容电流基波相量的相角值。

所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂至少大于100。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、系统结构简单，实现方式多样。

2、系统工作频率不发生改变，滤波器设计更为简单，对具有频带限制的应用具有更强的适应性。

3、系统的传输效率和传输功率对传输距离的变化不敏感，可实现稳定的无线电能传输。

附图说明

图1为实施方式中提供的系统电路。

图2为可调电容容值与互感关系图。

图3为可调电容容值与负载关系图。

图4为实施方式中原边谐振器电流与副边谐振器电流的波形图。

图5为实施方式中原边谐振器电压与副边谐振器电压的波形图。

图6为实施方案中传输效率和传输距离的关系图。

图7为实施方案中输出功率和传输距离的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，由恒定频率交流电源US、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；

所述恒定频率交流电源U_S与原边谐振器相连，其工作频率f_S及工作角频率ω_s＝2πf_S保持不变；

所述原边谐振器由原边可调电容C_s1和原边电感线圈L₁串联而成，所述原边电感线圈L₁具有原边线圈内阻RS₁，所述原边谐振器具有固有谐振角频率和原边内阻损耗系数γ₁＝R_S1/2L₁；

所述副边谐振器由副边可调电容C_s2和副边电感线圈L₂串联而成，所述副边电感线圈L₂具有副边线圈内阻RS₂，所述副边谐振器具有固有谐振角频率和副边内阻损耗系数γ₂＝R_S2/2L₂；

所述负载R_L与副边谐振器相连，对应于负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；

所述原边谐振器和副边谐振器通过磁场相互耦合，耦合的强度由互感M或耦合系数表征；

所述原边可调电容和副边可调电容的容值由外部信号进行控制，从而调节原边谐振器的固有角频率ω₁和副边谐振器的固有角频率ω₂，使所述系统的本征角频率ω_e与恒定频率交流电源的工作角频率ω_s保持相同。

所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂至少大于100。

为了分析方便，令原边谐振器、副边谐振器线圈电感和内阻分别相等，即R_s1＝R_s2＝R₀，L₁＝L₂＝L₀。首先假设电源的角频率可变，表示为ω，那么系统的耦合模方程为：

式中，为原、副边谐振器的内阻损耗系数，为负载损耗系数，为发射电路与接收电路之间的耦合系数，F为与激励源的幅值相关的一个正常数，其值的大小对分析结果没有影响。模式a₁、a₂可以的定义如下

其中i₁、i₂分别为原边电感和副边电感的电流，u₁、u₂分别为原边可调电容和副边电容的基波电压，I_1m、I_2m分别为原边电感和副边电感的电流幅值。因此模式与功率之间的关系为

P_x＝2γ_x|a_x|² (4)

其中，P_x为电阻R_x上产生的功率，γ_x为电阻R_x对应的损耗系数，|a_x|²为电阻对应边模式的模平方。

令电源的频率与模式a₁和a₂相等，那么a₁和激励源Fe^jωt之间的关系可以表示为

ga₁＝Fe^jωt (5)

g的值也可以由电源电压和电源电流之比得到，即

由式(5)可以看出，随着a₁模值的增加，g的模值会逐渐减小。将式(5)代入式(1)并求解方程的本征值，可得

若令ω₁＝ω₂＝ω₀，那么式(7)可以简化为

系统的模式解为：

其中

其中，系统的模式解中的实部代表系统的增益/衰减项。在模式解的实部存在的情况下，模式a₁和a₂的模值会发生改变。为了达到稳定状态，电源会自动对g值进行调节，以使模式解的实部等于0，即本征角频率的虚部等于0。当系统稳定时，g值会稳定在某一确定值，本征角频率也会达到稳定值。在本发明的控制策略是令系统稳定时的本征角频率刚好等于恒定频率电源的工作角频率。根据(8)根号内的大小，可以将系统的稳定工作状态分为两种情况。

(1)κ²≥(γ₀+γ_L)²。令(8)式虚部为零，可以得到

将式(11)代入式(8)，若使系统本征角频率刚好等于电源角频率，那么可以得到原边谐振器与副边谐振器的固有角频率应为

此时原边和副边的可调电容应调节为

结合式(9)，可得此时原、副边模式的平方之比为：

那么，系统的传输效率为：

系统的输出功率为：

由(15)、(16)式可知，在κ²≥(γ₀+γ_L)²的前提下，若保持无线电能传输系统的电源角频率等于系统本征角频率，系统的传输效率和输出功率同耦合系数κ无关，即传输距离改变时，系统的传输效率、输出功率保持不变。并且观察式(15)可知，若原边和副边线圈的内阻较小时，系统可以保持很高的效率。

(2)κ＜γ₀+γ_L。令(8)式虚部为零，可以得到：

将式(17)代入式(8)，得到系统稳定时原副边的固有角频率为

ω₀＝ω_S (18)

此时原边和副边的电容应调节为

那么有原边和副边模式平方之比

系统的传输效率为

系统的输出功率为：

因此，在κ＜γ₀+γ_L的前提下，若系统的本征角频率与原边和副边的固有角频率相同，则系统的传输效率将会随距离的增加而降低，输出功率也将随距离变化而变化。

综上所述，系统的传输效率为：

由上述分析可知，当系统工作在κ≥γ₀+γ_L区域内，系统最终稳定时，电源的电压与电流之比满足关系g＝2γ₀+γ_L，即电源电压基波和电流基波的有效值满足关系：电源电压基波和电流基波的相位满足关系：此时，为了使系统的本征角频率与电源频率相同，需将原边可调电容和副边可调电容的容值调节为系统的传输效率保持为不变。当系统工作在κ＜γ₀+γ_L区域内，电源的电压与电流之比满足关系此时电容值调节为系统传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为

设原边谐振器和副边谐振器的电源频率为f₀＝800kHz，且保持不变；原边、副边电感均为L＝100μH；内阻均为R_S＝1.3Ω。

原、副边可调电容的电容值随着原、副边线圈之间传输距离、负载的改变而改变，使得系统的本征角频率等于电源角频率。图2为负载保持R_L＝30Ω时，原、副边可调电容的容值随互感的变化情况。经计算，临界互感值为M_th＝6.2269μH。当互感高于临界值时，系统的本征角频率会出现分裂现象。因而对应的可调电容值也出现分裂。图3为互感保持M＝10μH时，可调电容的容值随负载的变化情况。

图4、图5分别为互感M＝10μH，负载R_L＝30Ω时，原、副边谐振器电流和电压的波形图。此时的互感处于临界条件以上，系统传输效率较高。

系统的传输效率、传输功率与传输距离的关系曲线如图6、图7所示。其中，图中连续曲线为理论计算值，散点为仿真值。理论值和仿真值的结构相符。当系统工作在κ≥γ₀+γ_L区域内，传输效率保持恒定不变，当系统工作在κ＜γ₀+γ_L区域内，传输效率随发射电路与接收电路之间的耦合系数变化，为

由上述分析可知，本发明的本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，此系统在负载和距离变化的情况对原、副边电容进行调节，使系统稳定时的本征角频率始终等于恒定频率电源的工作角频率。并且在一定的距离范围内，系统可以保持传输效率和输出功率的恒定，实现稳定的无线电能传输。相比传统的固定频率无线输电系统和频率跟踪无线输电系统，本发明具有结构简单、工作频率固定，实现方法多样的优点，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述系统由恒定频率交流电源U_S、原边谐振器、副边谐振器和负载组成；

所述恒定频率交流电源U_S与原边谐振器相连，其工作频率f_S及工作角频率ω_s＝2πf_S保持不变；

所述原边谐振器由原边可调电容C_s1和原边电感线圈L₁串联而成，所述原边电感线圈L₁具有原边线圈内阻R_S1，所述原边谐振器具有固有谐振角频率和原边内阻损耗系数γ₁＝R_S1/2L₁；

所述副边谐振器由副边可调电容C_s2和副边电感线圈L₂串联而成，所述副边电感线圈L₂具有副边线圈内阻R_S2，所述副边谐振器具有固有谐振角频率和副边内阻损耗系数γ₂＝R_S2/2L₂；

所述负载R_L与副边谐振器相连，对应于负载损耗系数γ_L＝R_L/2L₂；

所述原边谐振器和副边谐振器通过磁场相互耦合，耦合的强度由互感M或耦合系数表征；

所述原边可调电容和副边可调电容的容值由外部信号进行控制，从而调节原边谐振器的固有角频率ω₁和副边谐振器的固有角频率ω₂，使所述系统的本征角频率ω_e与恒定频率交流电源的工作角频率ω_s保持相同。

2.根据权利要求1所述的一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的本征角频率ω_e由原边内阻损耗系数、副边内阻损耗系数、负载损耗系数、耦合系数、原边谐振器的固有角频率和副边谐振器的固有角频率确定；所述系统的交流电源角频率与本征角频率相同时，所述系统的交流电源输出电压基波有效值U_S和交流电源输出电流基波有效值I_S满足关系：所述系统的电源输出电压基波相量和交流电源输出电流基波相量的相位差满足关系：其中为系统的电源输出电压基波相量的相角值，为系统的电源输出电流基波相量的相角值。

3.根据权利要求1所述的一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述原边可调电容C_s1的电压基波有效值U_C1和电流基波有效值有效值I_C1满足关系：I_C1＝ω_SC_s1U_C1；所述原边可调电容电压基波相量和电流基波相量之间的相位差满足关系：其中为系统的原边可调电容电压基波相量的相角值，为系统的原边可调电容电流基波相量的相角值；所述副边可调电容C_s2的电压基波有效值U_C2和电流基波有效值I_C2满足关系：I_C2＝ω_SC_s2U_C2；所述副边可调电容电压基波相量和电流基波相量之间的相位差满足关系：其中为系统的副边可调电容电压基波相量的相角值，为系统的副边可调电容电流基波相量的相角值。

4.根据权利要求1所述的一种本征角频率控制磁谐振SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振器的品质因数Q₁＝ω₁/2γ₁至少大于100，所述副边谐振器的品质因数Q₂＝ω₂/2γ₂至少大于100。