CN108923549A - 磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法，系统包括：与供电设备连接的逆变模块；输入端与逆变模块的输出端相连的谐振模块；输入端与谐振模块的输出端相连的整流模块；降压‑升压转换器，降压‑升压转换器的输入端与整流模块的输出端相连，降压‑升压转换器的输出端与负载连接；降压‑升压转换器配置有DSP控制器，用于调节降压‑升压转换器的占空比。上述方法通过判断系统传输功率变化ΔP₀与占空比变化ΔD之间的逻辑关系，达到跟踪控制系统最大传输功率工作点的目的。本发明能够实现磁耦合谐振式无线电能传输系统最大传输功率工作点的跟踪和控制，提高无线能量传输效率、降低能耗。

Description

磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法

技术领域

本发明涉及一种磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法。

背景技术

目前，无线能量传输系统主要使用的技术有三种，分别为远场技术、近场技术(电感耦合)和磁耦合谐振技术；其中，磁耦合谐振式无线能量传输技术在相对较远的距离范围内，仍然可以获得高效率和功率，并且不受空间非磁性障碍的影响，因此它已经成为当前中距离(10～300cm)无线能量传输应用的热点。然而，在磁耦合谐振式无线电力传输系统的实际应用中，系统的传输功率受到线圈不同空间尺度下互感的显著影响，这对电气设备的运行稳定性无益。此外，负载电阻也是使传输功率偏移峰值的关键因素之一。因此，为了保持磁耦合谐振式无线能量传输系统在实际应用中传输功率的大小，研究最大功率点控制很有必要。

发明内容

本发明实施例涉及一种磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法，至少可解决现有技术的部分缺陷。

本发明实施例涉及一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，包括：

与供电设备连接的逆变模块；

输入端与所述逆变模块的输出端相连的谐振模块；

输入端与所述谐振模块的输出端相连的整流模块；

降压-升压转换器，所述降压-升压转换器的输入端与所述整流模块的输出端相连，所述降压-升压转换器的输出端与负载连接；所述降压-升压转换器配置有DSP控制器，用于调节所述降压-升压转换器的占空比。

作为实施例之一，所述整流模块与所述降压-升压转换器之间还连接有滤波电容。

作为实施例之一，所述整流模块包括倍压整流器。

作为实施例之一，所述逆变模块为半桥逆变器。

本发明实施例还涉及如上所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统的最大功率点控制方法，包括：

进行系统传输功率采样；

将当前采样的系统传输功率P₀(n)与上一采样的系统传输功率P₀(n-1)进行比较，以及将当前采样时的降压-升压转换器的占空比D(n)与上一采样时的降压-升压转换器的占空比D(n-1)进行比较，

在P₀(n)>P₀(n-1)且D(n)>D(n-1)时或者P₀(n)<P₀(n-1)且D(n)<D(n-1)时，按单次增加一调节步长D_step方式逐次增大所述降压-升压转换器的占空比，直至P₀(n+1)与P₀(n)的差值ΔP₀≤0并选择最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率；

在P₀(n)>P₀(n-1)且D(n)<D(n-1)时或者P₀(n)<P₀(n-1)且D(n)>D(n-1)时，按单次减小一调节步长D_step方式逐次减小所述降压-升压转换器的占空比，直至P₀(n+1)与P₀(n)的差值ΔP₀≤0并选择最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率；

判定的系统最大传输功率所对应的降压-升压转换器的占空比为最优占空比，并控制降压-升压转换器的占空比运行在该最优占空比，从而控制磁耦合谐振式无线能量传输系统运行在最大功率点。

作为实施例之一，系统传输功率采样方法为：

采集系统输出电压和输出电流，输出电压与输出电流的乘积即为系统传输功率。

本发明实施例至少具有如下有益效果：

本发明提供的磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法，通过调节降压-升压转换器的占空比，实现接收侧等效输入电阻的控制，能够在不同线圈空间尺度和不同负载电阻的情况下调节负载两端的输出电压，实现磁耦合谐振式无线电能传输系统最大传输功率工作点的跟踪和控制，提高无线能量传输效率、降低能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的磁耦合谐振式无线能量传输系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的磁耦合谐振式无线能量传输系统的等效电路图；

图3为本发明实施例提供的降压-升压转换器占空比与系统传输功率P₀的曲线关系图；

图4为本发明实施例提供的磁耦合谐振式无线能量传输系统的最大功率点控制方法的逻辑流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2，本发明实施例提供一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，包括：

与供电设备连接的逆变模块1，用于将供电设备输出的直流电转换为交流电，优选地，该逆变模块1采用半桥逆变器1；

输入端与所述逆变模块1的输出端相连的谐振模块，一般地，该谐振模块包括发射端谐振电路2和接收端谐振电路3，发射端谐振电路2包括发射端谐振电感和发射端谐振电容，接收端谐振电路3包括接收端谐振电感和接收端谐振电容，则上述逆变模块1的输出端与该发射端谐振电路2连接；

输入端与所述谐振模块的输出端相连的整流模块4，该整流模块4用于将传输的交流电转换为直流电输出，易于理解地，该整流模块4的输入端与上述接收端谐振电路3连接；本实施例中，整流模块4采用倍压整流器4，进一步优选为采用二倍压整流器4；

降压-升压转换器5，所述降压-升压转换器5的输入端与所述整流模块4的输出端相连，所述降压-升压转换器5的输出端与负载连接；所述降压-升压转换器5配置有DSP控制器6(数字信号处理控制器)，用于调节所述降压-升压转换器5的占空比。

进一步优选地，如图1，所述整流模块4与所述降压-升压转换器5之间还连接有滤波电容7，该滤波电容7安装在整流模块4两端，用以降低交流脉动波纹系数从而提升高效平滑直流输出。

以下对上述磁耦合谐振式无线能量传输系统的工作进行分析优化如下：

该磁耦合谐振式无线能量传输系统的等效电路如图2所示。其中：

相量U_in是半桥逆变器1输出的交流电压的基波谐波，该半桥逆变器1具有直流输入电压V_in；

R_{L_eq}是从倍压整流器4看的等效输入电阻，即倍压整流器4两端的等效输入电阻；

L_p和L_s是线圈的自感应器，C_p和C_s是补偿电容，M是互感；

相量I_p和I_s是谐振电流的基本谐波；

R_p和R_s是等效串联电阻，代表线圈的导通损耗、功率半导体的导通损耗和辐射损耗。

在系统稳态下，可以得到下式：

当发射机与接收机以共振频率工作时，系统传输功率P₀可以表示为：

可以看出，系统传输功率是互感和负载电阻的函数，当互感和负载电阻发生变化时，系统传输功率也会随之变化。同时，线圈空间尺度的变化体现为互感的变化并对传输功率产生影响，因此线圈空间尺度的变化对传输效率的影响等价于互感变化对传输效率的影响。

在上述系统传输功率P₀表达式中，将P₀对R_{L_eq}求导并将差分函数等于零，可计算出最佳负载电阻R_{L_opt}和最大传输功率P_{0_max}为

可见，最佳负载电阻是对应于给定线圈空间尺度的唯一值。考虑到实际负载电阻可变，将降压-升压转换器5两端的等效输入电阻R_in调整到上述的最佳负载电阻，可以使得系统运行在最大传输功率点。

本实施例中，通过如下方法实现上述磁耦合谐振式无线能量传输系统的最大功率点控制：

在系统实际运行中，通过改变降压-升压转换器5的占空比来实现，具体地：在上述系统传输功率P₀表达式中，

R_in为降压-升压转换器5两端的等效输入电阻，其与实际负载电阻R_L之间的关系为：

因此，R_{L_eq}表示为：

其中，D为降压-升压转换器5的占空比；

从而，可以得到不同的降压-升压转换器5占空比下，系统传输功率P₀的曲线图如图3所示。通过判断系统传输功率变化ΔP₀与降压-升压转换器5占空比变化ΔD之间的逻辑关系，达到跟踪控制系统最大传输功率工作点的目的。

在系统实现最大功率点跟踪/控制时，则R_in等于R_{L_opt}。D的最优值可以导出为：

可见，D_opt是线圈空间尺度和负载电阻的变量。因此，无论线圈空间尺度和负载电阻如何，降压-升压转换器5可以始终跟踪相应的D_opt以达到控制系统最大传输功率的目的。

如图4，本实施例中，上述最大功率点控制方法，包括如下步骤：

(1)进行系统传输功率采样；优选地，采样方法为：采集系统输出电压和输出电流，输出电压与输出电流的乘积即为系统传输功率；

(2)将当前采样的系统传输功率P₀(n)与上一采样的系统传输功率P₀(n-1)进行比较，以及将当前采样时的降压-升压转换器5的占空比D(n)与上一采样时的降压-升压转换器5的占空比D(n-1)进行比较，

在P₀(n)>P₀(n-1)且D(n)>D(n-1)时或者P₀(n)<P₀(n-1)且D(n)<D(n-1)时，按单次增加一调节步长D_step方式逐次增大所述降压-升压转换器5的占空比，直至P₀(n+1)与P₀(n)的差值ΔP₀≤0并选择最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率；也即是，在上述两种情况中，可以判定当前采样的系统传输功率P₀(n)落于上述图3中的最大传输功率点的左边线段，因此，通过增大降压-升压转换器5的占空比，可以使系统传输功率P₀逐渐增大并接近系统最大传输功率；

在P₀(n)>P₀(n-1)且D(n)<D(n-1)时或者P₀(n)<P₀(n-1)且D(n)>D(n-1)时，按单次减小一调节步长D_step方式逐次减小所述降压-升压转换器5的占空比，直至P₀(n+1)与P₀(n)的差值ΔP₀≤0并选择最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率；也即是，在上述两种情况中，可以判定当前采样的系统传输功率P₀(n)落于上述图3中的最大传输功率点的右边线段，因此，通过减小降压-升压转换器5的占空比，可以使系统传输功率P₀逐渐增大并接近系统最大传输功率；

判定的系统最大传输功率所对应的降压-升压转换器5的占空比为最优占空比，并控制降压-升压转换器5的占空比运行在该最优占空比，从而控制磁耦合谐振式无线能量传输系统运行在最大功率点。

需要说明的是，实际运行过程中，不易持续地将系统传输功率控制在系统最大传输功率，因此，在上述方法中，选取最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率，这个系统最大传输功率值可能是理论系统最大传输功率值，也可以是处于较为接近该理论系统最大传输功率值的范围内，能够达到提高无线能量传输效率、降低能耗的目的。

上述降压-升压转换器5的占空比调节通过前述的DSP控制器6完成，这是本领域技术人员易于实现的，此处不作赘述。

本实施例提供的磁耦合谐振式无线能量传输系统及其最大功率点控制方法，通过调节降压-升压转换器的占空比，实现接收侧等效输入电阻的控制，能够在不同线圈空间尺度和不同负载电阻的情况下调节负载两端的输出电压，实现磁耦合谐振式无线电能传输系统最大传输功率工作点的跟踪和控制，提高无线能量传输效率、降低能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于，包括：

与供电设备连接的逆变模块；

输入端与所述逆变模块的输出端相连的谐振模块；

输入端与所述谐振模块的输出端相连的整流模块；

降压-升压转换器，所述降压-升压转换器的输入端与所述整流模块的输出端相连，所述降压-升压转换器的输出端与负载连接；所述降压-升压转换器配置有DSP控制器，用于调节所述降压-升压转换器的占空比。

2.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述整流模块与所述降压-升压转换器之间还连接有滤波电容。

3.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述整流模块包括倍压整流器。

4.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：所述逆变模块为半桥逆变器。

5.如权利要求1至4中任一项所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统的最大功率点控制方法，其特征在于，包括：

进行系统传输功率采样；

将当前采样的系统传输功率P₀(n)与上一采样的系统传输功率P₀(n-1)进行比较，以及将当前采样时的降压-升压转换器的占空比D(n)与上一采样时的降压-升压转换器的占空比D(n-1)进行比较，

在P₀(n)>P₀(n-1)且D(n)>D(n-1)时或者P₀(n)<P₀(n-1)且D(n)<D(n-1)时，按单次增加一调节步长D_step方式逐次增大所述降压-升压转换器的占空比，直至P₀(n+1)与P₀(n)的差值ΔP₀≤0并选择最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率；

在P₀(n)>P₀(n-1)且D(n)<D(n-1)时或者P₀(n)<P₀(n-1)且D(n)>D(n-1)时，按单次减小一调节步长D_step方式逐次减小所述降压-升压转换器的占空比，直至P₀(n+1)与P₀(n)的差值ΔP₀≤0并选择最后一次系统传输功率比较计算中的较大系统传输功率值作为系统最大传输功率；

判定的系统最大传输功率所对应的降压-升压转换器的占空比为最优占空比，并控制降压-升压转换器的占空比运行在该最优占空比，从而控制磁耦合谐振式无线能量传输系统运行在最大功率点。

6.如权利要求5所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统的最大功率点控制方法，其特征在于，系统传输功率采样方法为：

采集系统输出电压和输出电流，输出电压与输出电流的乘积即为系统传输功率。