CN109347212B - 基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法，涉及无线电能传输方法领域；发射部分包括：电流采集模块、直流电源、分压电容一、分压电容二、MCU控制模块一、高频逆变器、补偿电容、初级线圈一和初级线圈二；接收部分包括：次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路、Buck‑Boost电路、电压采集模块、MCU控制模块二和负载；无线电能传输控制方法包括MCU控制模块二对输出电压的控制过程和MCU控制模块一对输入电流的控制过程，具体为：通过MCU控制模块二改变Buck‑Boost电路的占空比使得输出电压始终等于参考电压；MCU控制模块一改变逆变器相位角使得输入电流一直处于最小值。本发明解决了线圈水平偏移条件下无线电能传输系统效率过低的问题。

Description

基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输方法领域，尤其涉及一种基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法。

背景技术

感应式无线电能能传输技术通过磁场以非接触的方式向电器进行灵活、安全供电，可以有效解决有线充电存在的接触不良，摩擦损耗以及接口限制等问题，受到了广泛的关注。该技术已经大量运用于电动汽车等大功率电气设备和智能手机等小功率电子设备中，具有巨大的发展前景。

现有的无线充电系统的主要构成及工作过程为：工频交流电经过整流成为直流，经过逆变器后直流电逆变成高频交流电，高频交变电流注入初级线圈，产生高频交变磁场；次级线圈在初级线圈产生的高频磁场中感应出感应电动势，该感应电动势通过高频整流后向负载提供电能。在电气设备处于充电过程中，初级线圈和次级线圈的水平偏移距离发生变化，造成互感的降低，进而影响了充电系统恒流恒压特性。为解决该问题，通常的方法主要是通过改变线圈结构使得初级线圈和次级线圈在偏移过程中互感保持恒定，但该方法线圈结构复杂且效率过低。

发明内容

本发明的目的在于：为解决现有的应对线圈水平偏移的无线电能传输方法线圈结构复杂且效率过低的问题，本发明提供一种基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法。

本发明的技术方案如下:

基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法，所述感应式无线电能传输系统包括发射部分和接收部分。

发射部分包括：电流采集模块，直流电源、分压电容一、分压电容二、MCU 控制模块一、高频逆变器、补偿电容、初级线圈一和初级线圈二；分压电容一和分压电容二分别并联于直流电源的两端，高频逆变器由第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4组成，驱动信号相反的第一开关管Q1 和第二开关管Q2组成第一桥臂，驱动信号相反的第三开关管Q3和第四开关管 Q4组成第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂之间相位差为θ；电流采集模块用于采集发射端电流并传输到MCU控制模块一；MCU控制模块一用于控制高频逆变器的相位角θ从而控制输入端电流；初级线圈一的一端和初级线圈二的一端共同连接至分压电容一和分压电容二的连线中点处，初级线圈一的另一端连接到第一开关管 Q1和第二开关管Q2之间，初级线圈二的另一端连接到第三开关管Q3和第四开关管Q4之间。

接收部分包括：依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路、 Buck-Boost电路、电压采集模块、MCU控制模块二和负载；电压采集模块用于采集负载两端的电压并传输到MCU控制模块二，MCU控制模块二用于根据输出电压控制BUCK-BOOST电路的占空比。

无线电能传输方法包括MCU控制模块二对输出电压的控制过程和MCU控制模块一对输入电流的控制过程。

MCU控制模块二对占空比的控制过程为：通过输出给Buck-Boost电路的占空比使得输出电压始终等于参考电压。

MCU控制模块一对输入电流的控制过程为：控制输入电流一直处于最小值。

具体地，MCU控制模块二对占空比的控制过程具体包括：

S11：初始化n＝0，D_n＝1％，其中n表示时刻，D_n为n时刻的占空比；

S12：采集输出电压U_out；

S13：令n＝n+1，D_n＝D_n-1+1％；

S14：采集此时的输出电压U_out，如果U_out-U_ref<1，则输出D_n为当前工作占空比，其中U_ref为提前在MCU控制模块二中设置好的基准电压；否则，则返回 S12。

具体地，MCU控制模块一对输入电流的控制过程具体包括：

S21：初始化m＝0，其中m表示时刻；

S22：采集此时的输入电流I_in；

S23：令m＝m+1,θ＝θ_m；

S24：采集m时刻的I_in(m)，如果I_in(m)<I_in(m-1)，则返回S22；否则，输出当前的θ。

采用上述方案后，本发明的有益效果如下：

(1)本发明不需要计算系统的具体效率，只需要找到发射端电流最小值即可，发射端电流最小值对应效率最大点，因为输出电压恒定，所以输出功率恒定，本发明可以提高无线电能能传输系统抗偏移能力，相比于其他结构，该发明不仅可以维持输出电压的恒定，而且可以保证初级线圈和次级线圈在偏移情况下的高效率输出。

(2)在发送线圈和接收线圈偏移的条件下，实现了原边逆变器MOSFET的软开关，提升效率的同时，增加了MOSFET使用寿命。

(3)本发明中的系统无需次级电路和初级电路进行通信，采用两个闭环控制，降低了系统成本，简化了电路结构；其控制策略简单、方便、可靠。

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他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的电路拓扑结构图；

图2为本发明的耦合机构的线圈结构图；

图3为本发明的驱动信号波形图；

图4为本发明的感应式无线传输系统的软开关特性分析图；

图5为本发明的部分结构等效电路图；

图6为本发明系统在不同偏移情况下效率η随θ变化的曲线图；

图7为电压不变的情况下输入电流、效率η与相位角θ的关系图；

图8为本发明MCU控制模块二的控制过程流程图；

图9为本发明MCU控制模块一的控制过程流程图；

图10为本发明实施例中偏移40mm情况下输入电流和效率随发射端移相角变化的关系图；

图11为本发明的方法与传统方法效率与线圈偏移距离的效果对比图；

图中标记：1-第一桥臂，2-第二桥臂，3-耦合机构，4-整流滤波电路， 5-Buck-Boost电路，6-电流采集模块，7-MCU控制模块一，8-MCU控制模块二，9-电压采集模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的全桥双谐振槽电路拓扑结构图。包括发射部分和接收部分，发射部分包括：直流电源V_g、分压电容一C_s1、分压电容二C_s2、MCU控制模块一7、电流采集模块6、高频逆变器、补偿电容一C_t1、补偿电容二C_t2、初级线圈一N₁和初级线圈二N₂。本实施例中，电流采集模块6为电流传感器。

分压电容一C_s1和分压电容二C_s2分别并联于直流电源V_g的两端，高频逆变器由第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4组成，驱动信号相反的第一开关管Q1和第二开关管Q2组成第一桥臂1，驱动信号相反的第三开关管Q3和第四开关管Q4组成第二桥臂2，第一桥臂1和第二桥臂2之间相位差为θ。u_Q1、u_Q2、u_Q3和u_Q4分别为第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管 Q₃和第四开关管Q₄的驱动信号。

电流采集模块6用于采集直流电源V_g两端的电流与电压并传输到MCU控制模块一；MCU控制模块一7用于控制高频逆变器的相位角θ从而控制输入端电流。

初级线圈一N₁的一端和初级线圈二N₂的一端共同连接至分压电容一C_s1和分压电容二C_s2的连线中点M处，且初级线圈一N₁的一端和初级线圈二N₂的一端与 M点的连线上的电流为i_L，初级线圈一N₁的另一端连接到第一开关管Q1和第二开关管Q2中点A处，初级线圈二N₂的另一端连接到第三开关管Q3和第四开关管Q4中点B处，M点与A点之间的电压为u₁，M点与B点之间的电压为u₂，A点与初级线圈一N₁之间形成谐振槽一，B点与初级线圈二N₂之间形成谐振槽二，i₁和i₂为发射端两个谐振槽的电流。

接收部分包括依次连接的次级线圈N₃、次级补偿电容C_r、整流滤波电路4、 Buck-Boost电路5、电压采集模块9、MCU控制模块二8和负载。本实施例中，电压采集模块9为电压传感器。

整流滤波电路4包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8，第五开关管Q5和第六开关管Q6串联，第七开关管Q7和第八开关管 Q8串联，次级线圈的一端串联补偿电容后连接到第七开关管Q7和第八开关管Q8 的中点D点，次级线圈的另一端连接到第五开关管Q5和第六开关管Q6的中点C 点；C点和D点之间的电压为u₃，电压采集模块9用于采集负载两端的电压并传输到MCU控制模块二8，MUC控制模块二8用于根据输出电压控制Buck-Boost 电路5的占空比；初级线圈与次级线圈之间形成耦合机构，图2为本发明耦合机构的3线圈结构图。

Buck-Boost电路5包括开关S、电感L、二极管D和电容C_L。

图3为本发明的电路驱动信号的时序图和谐振槽电流波形图，可以看到，u_Q1和u_Q4之间的相位差为θ，u_Q2和u_Q3之间的相位差为θ，u₁和u₂之间的相位差为θ。

根据图3电路驱动信号，分析本发明的软开关特性，如图4所示，总共有 a-f六个阶段：

(a)0-t₀时刻

t₀前第二开关管Q₂和第三开关管Q₃导通，电流i₁和电流i₂均为负方向。电流i₁经过M点、补偿电容C₁和二极管D₁，谐振槽一给电容C_S1传送能量，电流i₂经过M点，电容C_S2和二极管D₄，谐振槽二给电容C_S2传送能量，电流i₁和电流 i₂在负方向降低。

(b)t₀-t₁时刻

电流i₁和电流i₂仍然为负方向，电流i₁降低为0并且第二开关管Q₂零电流关断，谐振槽一和谐振槽二给电容C_S1和电容C_S2传送能量，电流i₁和电流i₂在负方向减少。

(c)t₁-t₂时刻

第一开关管Q₁零电压开通，电流i₁方向为正，电流₂方向为负，电容C_S1给谐振槽一传送能量，谐振槽二给电容C_S2传送能量，电流i₁在正方向增加，电流 i₂在负方向减少。

(d)t₂-t₃时刻

电流i₁和电流i₂方向没有改变，电流i₂下降为0并且第三开关管Q₃零电流关断，电容C_S1给谐振槽一传送能量，谐振槽二给C_S2传送能量，电流i₁在正方向增加，电流i₂在负方向减少。

(e)t₃-t₄时刻

电流i₁没有改变方向，电流i₂变为正方向，在t₃时刻，第四开关管Q₄零电压开通，电容C_S1和电容C_S2给谐振槽一和谐振槽二传送能量，电流i₁和电流i₂正方向增大。

(f)t₄-t₅时刻

电流i₁和电流i₂均没有改变方向，谐振槽一给电容C_S2传送能量，电容C_S2给谐振槽二传送能量，电流i₁减少，电流i₂增大。

图1的主干部分的等效电路图如图5所示，将发射端分为两个电压幅值相同、电压相位差为θ的等效电压源U₁和U₂。其中，电阻r₁、电阻r₂和电阻r₃为别为初级线圈一、初级线圈二和接收线圈的内阻，电容C₁、电容C₂和电容C₃分别为初级线圈一、初级线圈二和接收线圈的补偿电容，电感L₁、电感L₂和电感L₃分别为初级线圈一、初级线圈二和接收线圈的自感，互感M₁₂、互感M₁₃和互感M₂₃分别为初级线圈一、初级线圈二和接收线圈之间的互感，电阻R_L为负载电阻。

如图5所示，等效电路中，U₁和U₂由式(1)确定：

根据基尔霍夫电压定律可以列得：

其中，f为系统工作频率，s是与频率相关的虚数，s＝jω，ω＝2πf。Z₁,Z₂和Z₃定义如下：

电感L₁、电感L₂和电感L₃取值为：

发射端电感以及内阻取值如式(5)所示关系，其中L，C和r为常数:

定义以下参数：

A＝2rR_Lω³M₁₂(M₁₃ ²-M₂₃ ²)

A'＝ωM₁₂(r₃+R_L)[rω²(M₁₃ ²+M₂₃ ²)+(r²+ω²M₁₂ ²)(r₃+R_L)]+2ω⁵M₁₂M₁₃ ²M₂₃ ²

A”＝-A'

B＝2R_Lω²M₁₃M₂₃(r²+ω²M₁₂ ²)

B'＝-ω²M₁₃M₂₃[rω²(M₁₃ ²+M₂₃ ²)+(r²-ω²M₁₂ ²)(r₃+R_L)]

B”＝B

C＝R_Lω²(M₁₃ ²+M₂₃ ²)(r²+ω²M₁₂ ²)

C'＝[ω²M₂₃ ²+r(r₃+R_L)][rω²(M₁₃ ²+M₂₃ ²)+(r²+ω²M₁₂ ²)(r₃+R_L)]

C”＝[ω²M₁₃ ²+r(r₃+R_L)][rω²(M₁₃ ²+M₂₃ ²)+(r²+ω²M₁₂ ²)(r₃+R_L)]

ε＝[(r₃+R_L)(ω²M₁₂ ²+r²)+r(ω²M₁₃ ²+ω²M₂₃ ²)]²+4ω⁶M₁₂ ²M₁₃ ²M₂₃ ²

计算得接收端输出功率P_out如式(6)所示：

其中，

表示次级线圈中的电流(复数)，

表示次级线圈中的电流的共轭，发射端一的输入功率如式(7)所示：

其中，

表示初级线圈一中的电流。

发射端二的输入功率如式(8)所示：

其中，

表示初级线圈二中的电流。

效率η与相位角θ的关系图如图7所示。

当发射端和接收端线圈位置发生变化时，线圈之间的互感M₁₂、互感M₁₃和互感M₂₃发生变化，表1为偏移200mm过程中三个线圈互感变化数值。

表1

偏移(mm)	0	60	120	200
					M<sub>12</sub>(uH)	-4.46	-4.29	-3.86	-3.10
M<sub>13</sub>(uH)	21.74	24.29	24.17	21.31
					M<sub>23</sub>(uH)	20.11	11.17	1.31	-2.43

当接收线圈C向A线圈偏移时，如图2所示情况，在不同偏移距离下，系统效率η随θ变化的曲线图如图6所示，分别为线圈C向线圈A横向偏移距离为0cm、 6cm、12cm、20cm下系统效率随θ变化的曲线以及不同偏移距离下最大效率的曲线。从图6中可以看出，当发射端和接收端发生水平偏移时，只需在原边控制逆变器的相位角θ，就可以令系统始终保持在最大效率点。

图7为电压不变的情况下输入电流、效率η与相位角θ的关系图。本发明中，采用双闭环，副边利用电压传感器采集电压，通过与参考电压比较，控制MCU 输出给Buck-Boost电路5的占空比，使得输出电压始终等于参考电压。MCU控制模块一7和MCU控制模块二8通过采集电流和电压，来计算整个系统的效率，再结合如图7所示的曲线，控制相位角θ令系统始终保持在最大效率点即可。

因此，本发明的无线电能传输方法包括MCU控制模块二对输出电压的控制过程和MCU控制模块一7对输入电流的控制过程。

具体地，如图8所示，MCU控制模块二8对占空比的控制过程为：通过输出给Buck-Boost电路5的占空比使得输出电压始终等于参考电压；MCU控制模块二8对占空比的控制过程具体包括：

S11：初始化n＝0，D_n＝0，其中n表示时刻，D_n为n时刻的占空比；

S12：采集输出电压U_out；

S13：令n＝n+1，D_n＝D_n-1+1％；

S14：采集此时的输出电压U_out，如果U_out-U_ref<1，则输出D_n为当前工作占空比，其中U_ref为提前在MCU控制模块二8中设置好的基准电压；否则，则返回S12。

如图9所示，MCU控制模块一7对输入电流的控制过程为：控制输入电流一直处于最小值。MCU控制模块一7对输入电流的控制过程具体包括：

S21：初始化m＝0，其中m表示时刻；

S22：采集此时的输入电流I_in；

S23：令m＝m+1,θ＝θ_m；

S24：采集m时刻的I_in(m)，如果I_in(m)<I_in(m-1)，则返回S22；否则，输出当前的θ。

上述的两个控制过程是分开的，m和n并不是同步的。c

本发明中，不需要计算系统的具体效率，只需要找到发射端电流最小值即可，发射端电流最小值对应效率最大点，因为输出电压恒定，所以输出功率恒定。R_L为从buck-boost电路前端看进去的等效电阻，因为要通过调节占空比使得输出电压恒定，所以R_L随着输出脉冲占空比的改变而改变。

本发明中，偏移40mm情况下输入电流和效率随发射端移相角变化的关系图如图10所示。图11为本发明的方法与传统方法效率与线圈偏移距离的效果对比图，可以看出，本发明的控制方法的传输效率，高于传统控制方法的传输效率，并且，随着线圈偏移的距离增大，采用本发明的控制方法得到的传输效率与传统方法得到传输效率的差距越大。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法，所述感应式无线电能传输系统包括发射部分和接收部分，其特征在于，

发射部分包括：电流采集模块(6)、直流电源、分压电容一、分压电容二、MCU控制模块一(7)、高频逆变器、补偿电容、初级线圈一和初级线圈二，补偿电容包括补偿电容一和补偿电容二；

分压电容一的一端与直流电源的一端连接，分压电容一的另一端与分压电容二的一端连接，分压电容二的另一端与直流电源的另一端连接；高频逆变器由第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4组成，驱动信号相反的第一开关管Q1和第二开关管Q2组成第一桥臂(1)，驱动信号相反的第三开关管Q3和第四开关管Q4组成第二桥臂(2)，第一桥臂(1)和第二桥臂(2)之间相位差为θ；电流采集模块(6)用于采集发射端电流并传输到MCU控制模块一(7)；MCU控制模块一(7)用于控制高频逆变器的相位角θ从而控制输入端电流；初级线圈一的一端和初级线圈二的一端共同连接至分压电容一和分压电容二的连线中点处，初级线圈一的另一端经补偿电容一连接到第一开关管Q1和第二开关管Q2之间，初级线圈二的另一端经补偿电容二连接到第三开关管Q3和第四开关管Q4之间；

接收部分包括：依次连接的次级线圈、次级补偿电容、整流滤波电路(4)、Buck-Boost电路(5)、电压采集模块(9)、MCU控制模块二(8)和负载；

电压采集模块(9)用于采集负载两端的电压并传输到MCU控制模块二(8)，MCU控制模块二(8)用于根据输出电压控制Buck-Boost电路(5)的占空比；

无线电能传输方法包括MCU控制模块二(8)对输出电压的控制过程和MCU控制模块一(7)对输入电流的控制过程；

MCU控制模块二(8)对占空比的控制过程为：通过输出给Buck-Boost电路(5)的占空比使得输出电压始终等于参考电压；

MCU控制模块一(7)对输入电流的控制过程为：控制输入电流一直处于最小值。

2.根据权利要求1所述的基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法，其特征在于，MCU控制模块二(8)对占空比的控制过程具体包括：

S11：初始化n＝0，D_n＝0，其中n表示时刻，D_n为n时刻的占空比；

S12：采集输出电压U_out；

S13：令n＝n+1，D_n＝D_n-1+1％；

S14：采集此时的输出电压U_out，如果U_out-U_ref<1，则输出D_n为当前工作占空比，其中U_ref为提前在MCU控制模块二(8)中设置好的基准电压；否则，则返回S12。

3.根据权利要求1所述的基于感应式无线电能传输系统的高效率电能传输方法，其特征在于，MCU控制模块一(7)对输入电流的控制过程具体包括：

S21：初始化m＝0，其中m表示时刻；

S22：采集此时的输入电流I_in；

S23：令m＝m+1，θ＝θ_m；

S24：采集m时刻的I_in(m)，如果I_in(m)<I_in(m-1)，则返回S22；否则，输出当前的θ。

Images