CN108695957B - 一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，涉及无线充电领域；其包括如下步骤1：构建随互感变化相互叠加的两变量相对变化的拓扑结构；步骤2：根据拓扑结构设定互感与补偿电感间的比例初值；步骤3：根据拓扑结构线圈偏移时的输出电流变化量与输出电流比值以及其给定的变化量范围求解比例初值完成优化；本发明解决了现有无线电能传输装置因线圈偏移导致输出电流不稳定的问题，达到了保证无线电能传输过程中线圈偏移时仍能保证恒流输出的效果。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域，尤其是一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法。
背景技术
无线电能传输技术以非电气接触形式将能量从电源端传输到负载端，具有供电灵活、安全可靠的技术特点；其中，相较于电场耦合、微波等传能方式，感应耦合方式凭借大功率、高效率的技术优势，已经在便携类电子设备、家用电器、生物医学等多个领域得到实际应用，近年来逐渐在电动汽车、轨道交通等功率等级高且具有移动供电需求的应用领域中展开研究。
现有的电动汽车感应充电系统的主要构成及工作过程为：单相或三相工频电经过整流后转换成直流电，高频逆变器再将直流电转换成85kHz的高频交流电，并注入到能量发射线圈所在的谐振网络中；在二次侧，车载线圈通过磁场耦合作用从发射线圈中拾取电能，经由谐振网络、高频整流、滤波后实现向车载电池充电。由于感应电能传输的能量定向传输限制，一般都要求能量发射线圈与拾取线圈具有较好的位置对应关系；然而在电动汽车无线充电过程中，由于应用的环境不同会发生线圈间不同的偏移，导致负载端的拾取功率随线圈耦合强度的下降而下降，影响系统稳定性及性能。为了增强IPT系统能量耦合线圈的抗偏移能力，通常的方法有两种：一、在电路系统中引入闭环负反馈控制，如在逆变器前加入控制器挑几条输入电压或采用移向控制，或者在次级线圈整流后加入DC-DC变换器；其缺点是，增加了控制成本和复杂性，降低系统稳定性。二、采用混合初级线圈系统，铺设初级线圈阵列，使初级线圈、次级线圈间存在偏移时两者间的磁场相对均匀分布，但是该方法会增加线圈成本及能量传输面积；因此需要一种实现无线电能传输装置抗偏移且恒流输出的方法。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，解决了现有无线电能传输装置因线圈偏移导致输出电流不稳定的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，包括如下步骤：
步骤1：构建随互感变化相互叠加的两变量相对变化的拓扑结构；
步骤2：根据拓扑结构设定互感与补偿电感间的比例初值；
步骤3：根据拓扑结构线圈偏移时的输出电流变化量与输出电流比值以及其给定的变化量范围求解比例初值完成优化。
优选地，所述步骤1的拓扑结构包括：第一发送模块、第二发送模块、第一接收模块和第二接收模块，所述第一发送模块与第二发送模块并联连接，所述第一接收模块和第二接收模块并联连接，所述第一发送模块与第一接收模块相互耦合，所述第二发送模块与第二接收模块相互耦合。
优选地，所述第一发送模块包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1和第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电容C1和所述第一初级线圈L1依次连接；所述第一补偿电容C0并联于所述第二补偿电容C1于所述第一初级线圈L1串联构成部分的两端；所述第一接收模块包括第一次级线圈L2、第二补偿电感L3、第三补偿电容C2、第四补偿电容C3；所述第一次级线圈L2、所述第三补偿电容C2、所述第二补偿电感L3依次串联连接；所述第四补偿电容C3并联于所述第一次级线圈L2与所述第三补偿电容C2串联构成部分的两端；所述第二发送模块包括第五补偿电容C4和与所述第五补偿电容串联连接的第二初级线圈L4；所述第二接收模块包括第二次级线圈L5和与所述第二次级线圈L5串联连接的第六补偿电容C5；所述第一初级线圈L1与第二初级线圈L4之间采用DDQ线圈结构；所述第一次级线圈L2与第二次级线圈L5之间采用DDQ线圈结构。
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：基于拓扑结构获取互感M12、M45和互感变化量ΔM12、ΔM45，设定互感与补偿电容间的比例初值a，计算公式如下：
ΔM12≈ΔM45＝delta·M45
M12＝b·M45
其中，M12表示已知的第一发送模块与第一接收模块之间的互感，M45表示已知的第二发送模块与第二接收模块之间的互感，M12、M45的变化量相近视为相等即ΔM12≈ΔM45，a表示第一补偿电感L0的电感值
与M45之间的比例，b表示M12与M45之间的比例，delta表示互感变化量与M45之间的比例。
优选地，所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：基于拓扑结构偏移情况，计算输出电流变化量和输出电流的比值，计算公式如下：
其中，ΔIo表示输出电流变化量，Io表示输出电流，b为已知常数即M12与M45之间的比例，M12表示已知的第一发送模块与第一接收模块之间的互感，M45表示已知的第二发送模块与第二接收模块之间的互感；
步骤3.2：给定输出电流变化量范围，求解比例初值a，计算公式如下：
步骤3.3：求解函数f(delta,a)关于delta的导数并得到极值点，获取delta和a的值即实现在给定的变化量范围内扩大偏移范围、抵消两变量的相对变化且保持两变量和不变；
步骤3.4：根据a值获取
根据已知的电感、工作角频率和补偿电感值求取补偿电容值完成谐振实现优化，计算公式如下：
其中，ω表示已知的工作角频率，L1、L2、L4、L5表示测量的电感。
一种应用权利要求1所述方法的抗偏移恒流输出无线电能传输装置，包括前级模块和后级模块，还包括与所述前级模块连接的第一发送模块、与所述前级模块连接的第二发送模块、与所述第一发送模块耦合且与后级模块连接的第一接收模块、与所述第二发送模块耦合且与后级模块连接的第二接收模块。
优选地，所述第一发送模块包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1和第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电容C1和所述第一初级线圈L1依次连接；所述第一补偿电容C0并联于所述第二补偿电容C1于所述第一初级线圈L1串联构成部分的两端；所述第二发送模块包括第五补偿电容C4和与所述第五补偿电容C4串联连接的第二初级线圈L4。
优选地，所述第一接收模块包括第一次级线圈L2、第二补偿电感L3、第三补偿电容C2和第四补偿电容C3；所述第一次级线圈L2、所述第三补偿电容C2、所述第二补偿电感L3依次串联连接；所述第四补偿电容C3并联于所述第一次级线圈L2与所述第三补偿电容C2串联构成部分的两端；所述第二接收模块包括第二次级线圈L5和与所述第二次级线圈L5串联连接的第六补偿电容C5；所述第一初级线圈L1与第二初级线圈L4之间采用DDQ线圈结构；所述第一次级线圈L2与第二次级线圈L5之间采用DDQ线圈结构。
优选地，所述DDQ线圈结构包括一个Q线圈以及与Q线圈重叠的两个DD线圈。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过设计发送模块与接收模块互补构造拓扑结构，对拓扑结构进行参数优化减小线圈偏移时带来的互感变化对输出电流的影响，保证恒流输出的同时扩大偏移范围，解决了现有无线电能传输装置因线圈偏移导致输出电流不稳定的问题，达到了保证无线电能传输过程中线圈偏移时仍能保证恒流输出的效果；
2.本发明的第一初级线圈与第二初级线圈之间采用DDQ线圈结构，所述第一次级线圈与第二次级线圈之间采用DDQ线圈结构，由于DD线圈能产生大小相等、方向相反的磁场，只要在叠加的Q线圈中通过正、反两个方向上相等的磁通，两者即可实现自解耦，保证电流的正常输出，进一步保证优化效果；
3.本发明通过优化尽可能扩大输出电流在正负5％以内时互感变化的范围，实现恒流输出的同时扩大线圈偏移的范围，还扩大负载的变化范围，实现负载在一定范围内变化仍然能保持恒流输出。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的电路图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明的等效电路图；
图4是本发明的线圈结构示意图；
图5是本发明的输出电流随线圈偏移距离变化的数据图；
图6是本发明的不同a值
随delta变化的数据图；
图7是本发明的无线电能传输装置对应的电路图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-7对本发明作详细说明。
实施例1
请参阅图2-3，本发明的抗偏移恒流输出无线电能传输系统，用于实现系统内的一次侧于二次侧间的电能无线传送，该抗偏移恒流输出无线电能传输系统包括前级模块10、与前级模块连接的第一发送模块20、与前级模块10连接的第二发送模块30、与第一发送模块20耦合的第一接收模块40、与第二发送模块30耦合的第二接收模块50、及与第一接收模块40、第二接收模块50连接的后级模块60；第一发送模块20、第二发送模块30、第一接收模块40、第二接收模块50、及第二接收模块50的元件按照要求设定，第一发送模块20与第二发送模块30、第一接收模块40与第二接收模块50之间相互平衡，令整流电路D的输出电流不会因线圈间的偏移而变化实现输出电流恒定。
前级模块10包括直流电源E、与直流电源E连接的逆变电路H；逆变电路H设有第一交流输出端及第二交流输出端；直流电源输出电压经逆变电路H逆变后电压为
后级模块60包括整流电路D、与整流电路D连接的阻性负载RL；整流电路D设有第一电能输入端及第二电能输入端。
第一发送模块20包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1和第一初级线圈L1；第一补偿电感L0的一端与逆变电路H的第一交流输出端连接；第一补偿电感L0的另一端分别与第一补偿电容C0的一端及第二补偿电容C1的一端连接；第二补偿电容C1的另一端与第一初级线圈L1的一端连接；第一初级线圈L1的另一端与第一补偿电容C0的另一端连接；第一补偿电容C0的另一端与逆变电路H的第二交流输出端连接。
第二发送模块30包括第五补偿电容C4、第二初级线圈L4；第五补偿电容C4的一端与逆变电路H的第一交流输出端连接，第五补偿电容C4的另一端与第二初级线圈L4的一端连接；第二初级线圈的另一端与逆变电路H的第二交流输出端连接。
第一接收模块40包括第一次级线圈L2、第二补偿电感L3、第三补偿电容C2和第四补偿电容C3；第二补偿电感L3的一端分别与第四补偿电容C5的一端和整流电路D的第一电能输入端连接，第二补偿电感L3的另一端分别与第一补偿电容C2的一端和第二补偿电容C3的一端连接；第一补偿电容C2的另一端与第一次级线圈L2的一端连接；第二补偿电容C3的另一端与第一次级线圈L2的另一端连接，还与整流电路D的第二电能输入端连接。
第二接收模块50包括第二次级线圈L5、第六补偿电容C5；第六补偿电容C5的一端与第二次级线圈L5的一端连接，第六补偿电容C5的另一端与整流电路D的第一电能输入端连接。
逆变电路H用于将直流电源输出的直流电压转换为高频交流电压；整流电路D接收第一接收模块40及第二接收模块50的输出高频交流电压；整流电路D将接收到高频交流电压转换为直流电压并输出至阻性负载RL。第一发送模块20将逆变电路H发岀的高频交流电压传输至第一接收模块40。第二发送模块30将逆变电路H发岀的高频交流电压传输至第二接收模块50。
请参阅图4，第一初级线圈L1与第一次级线圈L2耦合；第二初级线圈L4与第二次级线圈L5耦合；第一初级线圈L1与第二初级线圈L4之间、第一次级线圈L2与第二次级线圈L5之间可采用DDQ线圈结构200组合；DDQ线圈结构200包括一个居中的Q线圈201以及与Q线圈201重叠的两个等大D线圈202，且两个D线圈202与Q线圈201间没有互感。
第一初级线圈L1与第二初级线圈L4、第一次级线圈L2与第二次级线圈L5分别对应两组DDQ线圈结构200。具体地，第一初级线圈L1为第一组DDQ线圈结构200中的Q线圈201，第二初级线圈L4为第一组DDQ线圈结构200中的D线圈202、第一次级线圈L2为第二组DDQ线圈结构200中Q线圈201、第二次级线圈L5为第二组DDQ线圈结构中的D线圈202。由于DD线圈能产生大小相等、方向相反的磁场，只要在叠加的Q线圈中通过正、反两个方向上相等的磁通，两者即可实现自解耦；电路传能部分一共有4个电感，L1、L2、L4和L5，两两之间形成互感M12、M14、M15、M24、M25、M45，使用DDQ线圈可以实现M14、M15、M24、M25近似为0，剩余需要的M12和M45。
请参阅图3，图3为抗偏移恒流输出无线电能传输系统的等效电路，抗偏移恒流输出无线电能传输系统的工作角频率为ω，抗偏移恒流输出无线电能传输系统的工作频率为f，阻性负载RL等效为负载R1、负载R2，第一补偿电感L0、第二补偿电感L3、第一初级线圈L1、第二初级线圈L4、第一次级线圈L2、第二次级线圈L5的电感值分别为
第一补偿电容C0、第二补偿电容C1、第三补偿电容C2、第四补偿电容C3、第五补偿电容C4和第六补偿电容C5。
利基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律对抗偏移恒流输出无线电能传输系统等效电路列写下述方程组：
由于电路工作在谐振状态，故：
C0满足
C1满足
C2满足
C3满足
C4满足
C5满足
即
把式代入方程组求解得出抗偏移恒流无线电能传输系统中的电流
为：
系统输出电流
为：
故
由式可以看出，工作角频率w＝2πf，频率f＝85kHz，在第一补偿电感L0的电感值
第二补偿电感L3的电感值
直流电源的输出电压E一定的条件下，第一初级线圈L1相对第一次级线圈L2、第二初级线圈L4相对第二次级线圈L5同时发生偏移时，互感值M12、互感值M45均减少，式中
项线性减少、
项呈反比例性质增大，通过合理优化参数，可以使当M12、M45在某一范围内变化时，两项
之和几乎为定值，实现偏移情况下系统依然能够输出与负载无关的电流，即实现抗偏移恒流输出。
基于以上混合拓扑的恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法如下：
A、基于设计的DD线圈与Q线圈变化规律近似，设定如下关系：
(1)ΔM12≈ΔM45＝delta·M45
(2)
(3)M12＝b·M45
B、线圈偏移时输出电流变化与标称值的比为：
互感M12、M45由测量可得，因此b为常数；
C.若要求输出电流波动范围在5％范围内，则令f(delta,a)＝-0.05求解出a值的解为：
D.求取a值关于delta的导数并得到极值点，获得delta与a的值，即可确定各参数。参数优化求得
与M45之间的比例a值，a值确定后，第一补偿电感值
第一补偿电感值
确定，其他电感是测量得到，补偿电容根据谐振公式确定，谐振电容补偿无功，提高系统的效率。
图5表示输出电流随线圈偏移距离变化的数据图，可以看到线圈偏移0-165mm内，输出电流变化都在正负5％以内，参数优化的目的是保证恒流输出的同时尽可能扩大线圈偏移的范围。
如图6所示，其为不同a值下
随delta变化的图形，我们根据曲线与
相切的点来确定a值，得到最大的delta变化范围；在保证输出电流变化范围在-5％-5％间，选择最优的比例初值a，比如图中的a2或者a5，扩大delta即互感值变化量的变化范围，若不优化，如图中的a3或者a6比例初值，其的delta即互感值变化量的变化范围就比较小，偏移范围比较小。因此本申请通过合理优化参数，使当M12、M45在某一范围内变化提高更大的偏移范围时，两项
之和几乎为定值，实现偏移情况下系统依然能够输出与负载无关的电流即实现抗偏移恒流输出。
实施例2
如图7所示，包括逆变器的控制电路和主电路，逆变器的控制信号利用DSP产生的PWM信号，DSP的型号采用TMS320F28335。主电路的拓扑结构具有的特性：互感变化，对应的两条并联支路输出电流表达式中的
相对变化且相互叠加，通过优化参数，实现当互感在-5％-5％区间变化时，两项
之和几乎为定值，实现偏移情况下系统依然能够输出与负载无关的电流即实现抗偏移恒流输出，同时扩大偏移范围，解决了现有无线电能传输装置因线圈偏移导致输出电流不稳定的问题，达到了保证无线电能传输过程中线圈偏移时仍能保证恒流输出、扩宽偏移范围的效果。
Claims (8)
1.一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：构建随互感变化相互叠加的两变量相对变化的拓扑结构；
步骤2：根据拓扑结构设定互感与补偿电感间的比例初值；
步骤3：根据拓扑结构线圈偏移时的输出电流变化量与输出电流比值以及其给定的变化量范围求解比例初值完成优化；
所述步骤3包括如下步骤：
步骤3.1：基于拓扑结构偏移情况，计算输出电流变化量和输出电流的比值，计算公式如下：
其中，ΔIo表示输出电流变化量，Io表示输出电流，b为已知常数即M12与M45之间的比例，M12表示已知的第一发送模块与第一接收模块之间的互感，M45表示已知的第二发送模块与第二接收模块之间的互感，delta表示互感变化量与M45之间的比例；
步骤3.2：给定输出电流变化量范围，求解比例初值a，计算公式如下：
步骤3.3：求解函数f(delta,a)关于delta的导数并得到极值点，获取delta和a的值即实现在给定的变化量范围内扩大偏移范围、抵消两变量的相对变化且保持两变量和不变；
步骤3.4：根据a值获取
根据已知的电感、工作角频率和补偿电感值求取补偿电容值完成谐振实现优化，计算公式如下：
其中，ω表示已知的工作角频率，
分别表示第一补偿电感L0、第二补偿电感L3、第一初级线圈L1、第二初级线圈L4、第一次级线圈L2、第二次级线圈L5的电感值。
2.根据权利要求1所述的一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，其特征在于：所述步骤1的拓扑结构包括：第一发送模块、第二发送模块、第一接收模块和第二接收模块，所述第一发送模块与第二发送模块并联连接，所述第一接收模块和第二接收模块并联连接，所述第一发送模块与第一接收模块相互耦合，所述第二发送模块与第二接收模块相互耦合。
3.根据权利要求2所述的一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，其特征在于：所述第一发送模块包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1和第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电容C1和所述第一初级线圈L1依次连接；所述第一补偿电容C0并联于所述第二补偿电容C1于所述第一初级线圈L1串联构成部分的两端；所述第一接收模块包括第一次级线圈L2、第二补偿电感L3、第三补偿电容C2、第四补偿电容C3；所述第一次级线圈L2、所述第三补偿电容C2、所述第二补偿电感L3依次串联连接；所述第四补偿电容C3并联于所述第一次级线圈L2与所述第三补偿电容C2串联构成部分的两端；所述第二发送模块包括第五补偿电容C4和与所述第五补偿电容串联连接的第二初级线圈L4；所述第二接收模块包括第二次级线圈L5和与所述第二次级线圈L5串联连接的第六补偿电容C5；所述第一初级线圈L1与第二初级线圈L4之间采用DDQ线圈结构；所述第一次级线圈L2与第二次级线圈L5之间采用DDQ线圈结构。
4.根据权利要求1所述的一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置的参数优化方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：基于拓扑结构获取互感M12、M45和互感变化量ΔM12、ΔM45，设定互感与补偿电容间的比例初值a，计算公式如下：
ΔM12≈ΔM45＝delta·M45
M12＝b·M45
其中，M12表示已知的第一发送模块与第一接收模块之间的互感，M45表示已知的第二发送模块与第二接收模块之间的互感，M12、M45的变化量相近视为相等即ΔM12≈ΔM45，a表示第一补偿电感L0的电感值
与M45之间的比例，
表示第二补偿电感L3的电感值，b表示M12与M45之间的比例。
5.一种应用权利要求1所述方法的抗偏移恒流输出无线电能传输装置，包括前级模块和后级模块，其特征在于：还包括与所述前级模块连接的第一发送模块、与所述前级模块连接的第二发送模块、与所述第一发送模块耦合且与后级模块连接的第一接收模块、与所述第二发送模块耦合且与后级模块连接的第二接收模块。
6.根据权利要求5所述的一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置，其特征在于：所述第一发送模块包括第一补偿电感L0、第一补偿电容C0、第二补偿电容C1和第一初级线圈L1；所述第一补偿电感L0、所述第二补偿电容C1和所述第一初级线圈L1依次连接；所述第一补偿电容C0并联于所述第二补偿电容C1于所述第一初级线圈L1串联构成部分的两端；所述第二发送模块包括第五补偿电容C4和与所述第五补偿电容C4串联连接的第二初级线圈L4。
7.根据权利要求6所述的一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置，其特征在于：所述第一接收模块包括第一次级线圈L2、第二补偿电感L3、第三补偿电容C2和第四补偿电容C3；所述第一次级线圈L2、所述第三补偿电容C2、所述第二补偿电感L3依次串联连接；所述第四补偿电容C3并联于所述第一次级线圈L2与所述第三补偿电容C2串联构成部分的两端；所述第二接收模块包括第二次级线圈L5和与所述第二次级线圈L5串联连接的第六补偿电容C5；所述第一初级线圈L1与第二初级线圈L4之间采用DDQ线圈结构；所述第一次级线圈L2与第二次级线圈L5之间采用DDQ线圈结构。
8.根据权利要求7所述的一种抗偏移恒流输出无线电能传输装置，其特征在于：所述DDQ线圈结构包括一个Q线圈以及与Q线圈重叠的两个DD线圈。
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