CN109713805B - 适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法，属于无线电能传输技术领域，包括直流电压源，与直流电压源依次连接的直流电压变换器和高频逆变器，所述高频逆变器交流输出端的一端串联LCL补偿网络的第二谐振电感，所述第二谐振电感的另一端串联若干个开关，所述高频逆变器交流输出端的另一端串联LCL补偿网络的第一谐振电感后与若干个开关连接，所述若干个开关中的每一个开关上都并联一个发射线圈，所述发射线圈通过电磁耦合与接收线圈连接，所述接收线圈与负载连接，本发明解决了现有多负载无线电能传输系统存在结构复杂，成本高，系统效率低的问题。

Description

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法。

背景技术

当前的无线电能传输系统可分为一对一、一对多、多对一、多对多四种系统，其中一对一无线电能传输系统包括一个逆变器、一个发射线圈和一个接收端，当存在多个接收端用电需求时，就需要多个逆变器和发射端，使得系统结构复杂，灵活性差，综合利用率低，建设、运营、维护成本高；一对多无线电能传输系统有两种，一种包括一个逆变器、一个圆形或矩形大发射线圈和多个小接收线圈，另一种包括一个逆变器、多个发射线圈和多个小接收线圈，都存在传输效率低，电磁辐射严重，接收端受电电压不可控的问题。

而且，现有的无线电能传输系统中每个发射线圈都独立拥有一套补偿电路，使得系统的结构复杂，成本高，大多数系统只能实现拓扑功能，不能实现系统的效率优化。

因此，本发明针对以上问题，提出了一种适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供了适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法，解决了现有多负载无线电能传输系统存在结构复杂，成本高，系统效率低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统，包括直流电压源E，与直流电压源E依次连接的直流电压变换器V_DCB和高频逆变器V_T，所述高频逆变器V_T交流输出端的一端串联LCL补偿网络的第二谐振电感L_PT2，所述第二谐振电感L_PT2的另一端串联若干个开关S_n，其中，n≥1，所述高频逆变器V_T交流输出端的另一端串联LCL补偿网络的第一谐振电感L_PT1后与若干个开关S_n连接，所述若干个开关S_n中的每一个开关上都并联一个发射线圈，所述发射线圈通过电磁耦合与接收线圈连接，所述接收线圈与负载R_Ln连接，其中，n≥1。

进一步地，所述LCL补偿网络包括第一谐振电感L_PT1，第二谐振电感L_PT2，以及一端与所述第一谐振电感L_PT1连接，另一端与所述第二谐振电感L_PT2连接的一个谐振电容C_PT。

进一步地，所述接收线圈与负载R_L之间还连接有高频整流器V_RT和直流电压变换器V_DC。

进一步地，所述一个发射线圈包括串联的一个发射线圈电感L_Pn，其中，n≥1，和一个发射线圈补偿电容C_Pn，其中，n≥1。

更进一步地，所述一个接收线圈包括串联的一个接收线圈电感L_Sn，其中，n≥1，和一个接收线圈补偿电容C_Sn，其中，n≥1，所述接收线圈电感L_Sn与发射线圈电感L_Pn互感。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，包括效率优化控制方法，所述效率优化方法具体包括以下步骤：

步骤1：确定实际负载R_L1、R_L2、……、R_Ln的个数，即n的值；

步骤2：测量系统中发射线圈电感L_P1、L_P2、……、L_Pn与发射线圈补偿电容C_P1、C_P2、……、C_Pn两端的电压U_RP1、U_RP2、……、U_RPn，和直流电压变换器V_DCB的输出电压U_DC；

步骤3：计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT；

步骤4：计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn；

步骤5：用数字分析方法计算出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt后，再计算出此时的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt；

步骤6：设置直流电压变换器V_DCB的输出电压为U_DCopt，从而使无线电能传输系统的效率优化到最高值。

进一步地，所述步骤3中，根据公式(1)计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT，所述公式(1)为：

进一步地，所述步骤4中，根据公式(2)计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn，所述公式(2)为：

其中，P_Leqi为负载R_Li吸收的有功功率，Re[]为取复数的实部，U_PRi为发射端电压，表达式为U_PRi＝U_Pi+I_PiR_Pi，U_Pi为L_Pi和C_Pi上的电压之和，I_Pi为通过L_Pi的电流，M_i为第i个发射线圈电感L_Pi与第i个接收线圈电感L_Si的互感值，M_i＝M，R_Pi为第i个发射线圈的内阻，R_Pi＝R_P，R_Si为第i个接收线圈的内阻，R_Si＝R_S，ω为系统谐振角频率：

其中，C_Pi为第i个发射线圈补偿电容，C_Si为第i个接收线圈补偿电容。

进一步地，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：用数字分析方法计算公式(4)：

其中，

由上述公式(4)和公式(5)得出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt；

步骤5.2：再由接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt计算公式(6)：

从而，得到使系统效率达到最高的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt。

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.适用于无序负载的一对多无线电能传输系统，多个发射线圈共享一个LCL补偿网络和高频电源，简化了系统拓扑结构，降低了成本；在闭环控制时，发射线圈与接收线圈之间无需建立通信连接，节省了无线通信设备，进一步降低了成本。

2.本发明的每个发射线圈的工作状态均可由独立的开关控制，通过控制开关的状态可以控制发射线圈的工作状态，不工作的发射线圈就停止工作，控制简单，且从电磁耦合机构的角度，耦合机构是一对一的，减小了漏感，从而综合降低了系统的电磁辐射。

3.适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，相比于有序负载的一对多无线电能传输系统，有序负载只能适用于负载按序排列的工况，而本发明的负载不需要按顺序放置，局限性相对较小，再通过系统建模与控制算法结合，实现系统的效率优化，提高了无线电能传输系统的传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图，其中：

图1是适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的电路拓扑图；

图2是适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法中效率优化控制方法的电路拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统及其控制方法，解决了现有多负载无线电能传输系统存在结构复杂，成本高，系统效率低的问题。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统，包括直流电压源E，与直流电压源E依次连接的直流电压变换器V_DCB和高频逆变器V_T，所述高频逆变器V_T交流输出端的一端串联LCL补偿网络的第二谐振电感L_PT2，所述第二谐振电感L_PT2的另一端串联若干个开关S_n，其中，n≥1，所述高频逆变器V_T交流输出端的另一端串联LCL补偿网络的第一谐振电感L_PT1后与若干个开关S_n连接，所述若干个开关S_n中的每一个开关上都并联一个发射线圈，所述发射线圈通过电磁耦合与接收线圈连接，所述接收线圈与负载R_Ln连接，其中，n≥1。

本发明多个发射线圈共享一个LCL补偿网络和高频电源，简化了系统拓扑结构，降低了成本；在闭环控制时，发射线圈与接收线圈之间无需建立通信连接，节省了无线通信设备，进一步降低了成本；且每个发射线圈的工作状态均可由独立的开关控制，通过控制开关的状态可以控制发射线圈的工作状态，不工作的发射线圈就停止工作，且从电磁耦合机构的角度，耦合机构是一对一的，减小了漏感，从而综合降低了系统的电磁辐射。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，包括效率优化控制方法，所述效率优化方法具体包括以下步骤：

步骤1：确定实际负载R_L1、R_L2、……、R_Ln的个数，即n的值；

步骤2：测量系统中发射线圈电感L_P1、L_P2、……、L_Pn与发射线圈补偿电容C_P1、C_P2、……、C_Pn两端的电压U_RP1、U_RP2、……、U_RPn，和直流电压变换器V_DCB的输出电压U_DC；

步骤3：计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT；

步骤4：计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn；

步骤5：用数字分析方法计算出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt后，再计算出此时的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt；

步骤6：设置直流电压变换器V_DCB的输出电压为U_DCopt，从而使无线电能传输系统的效率优化到最高值。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，相比于有序负载的一对多无线电能传输系统，本发明的负载不需要按顺序放置，局限性小，再通过系统建模与控制算法结合，实现系统的效率优化，提高了无线电能传输系统的传输效率。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

本发明较佳实施例提供的适用于无序负载的一对多无线电能传输系统，如图1所示，需要说明的是，附图中的N表示系统中最多的负载数量，也就是最终的发射端/接收端的数量，说明书中的n表示某一工作状态下系统中存在的负载数量，也就是其中的某个发射端/接收端，并不特指，1≤n≤N，且说明书中的i也表示泛指。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统，包括直流电压源E，与直流电压源E依次连接的直流电压变换器V_DCB和高频逆变器V_T，所述高频逆变器V_T交流输出端的一端串联LCL补偿网络的第二谐振电感L_PT2，所述第二谐振电感L_PT2的另一端串联若干个开关S_n，其中，n≥1，所述高频逆变器V_T交流输出端的另一端串联LCL补偿网络的第一谐振电感L_PT1后与若干个开关S_n连接，所述若干个开关S_n中的每一个开关上都并联一个发射线圈，所述发射线圈通过电磁耦合与接收线圈连接，所述接收线圈与负载R_Ln连接，其中，n≥1。

进一步地，所述LCL补偿网络包括第一谐振电感L_PT1，第二谐振电感L_PT2，以及一端与所述第一谐振电感L_PT1连接，另一端与所述第二谐振电感L_PT2连接的一个谐振电容C_PT。

进一步地，所述接收线圈与负载R_L之间还连接有高频整流器V_RT和直流电压变换器V_DC。

进一步地，所述一个发射线圈包括串联的一个发射线圈电感L_Pn，其中，n≥1，和一个发射线圈补偿电容C_Pn，其中，n≥1。

更进一步地，所述一个接收线圈包括串联的一个接收线圈电感L_Sn，其中，n≥1，和一个接收线圈补偿电容C_Sn，其中，n≥1，所述接收线圈电感L_Sn与发射线圈电感L_Pn互感。

工作原理为：

所述直流电压变换器V_DCB将直流电压源E的输出电压U_DCB变换为U_DC后输出至高频逆变器V_T，所述高频逆变器V_T将U_DC变换为高频交流电压源，并为LCL补偿网络供电，当高频交流电的电流I_PT流通发射线圈电感L_Pn时，在发射线圈电感L_Pn周围产生高频电磁场；接收线圈电感L_Sn在此高频电磁场作用下，感应产生高频交流电压，此高频交流电压先经高频整流器V_RT整流，再经直流电压变换器V_DC变换，即可为负载R_Ln供电。

本发明多个发射线圈共享一个LCL补偿网络和高频电源，简化了系统拓扑结构，降低了成本；在闭环控制时，发射线圈与接收线圈之间无需建立通信连接，节省了无线通信设备，进一步降低了成本；且每个发射线圈的工作状态均可由独立的开关控制，通过控制开关的状态可以控制发射线圈的工作状态，不工作的发射线圈就停止工作，且从电磁耦合机构的角度，耦合机构是一对一的，减小了漏感，从而综合降低了系统的电磁辐射。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，包括开关控制方法和效率优化控制方法；

所述开关控制方法相比于有序负载的一对多无线电能传输系统的开关控制方法，本发明可通过控制开关S_n的状态直接控制开关S_n对应的发射线圈的工作状态，当开关S_n断开时，第n个发射线圈工作，当开关S_n闭合时，第n个发射线圈停止工作，不需要按顺序放置，局限性相对较小。

所述效率优化方法，如图2所示为效率优化时的电路拓扑，具体包括以下步骤：

步骤1：确定实际负载R_L1、R_L2、……、R_Ln的个数，即n的值；

步骤2：测量系统中发射线圈电感L_P1、L_P2、……、L_Pn与发射线圈补偿电容C_P1、C_P2、……、C_Pn两端的电压U_RP1、U_RP2、……、U_RPn，和直流电压变换器V_DCB的输出电压U_DC；

步骤3：计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT；

步骤4：计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn；

步骤5：用数字分析方法计算出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt后，再计算出此时的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt；

步骤6：设置直流电压变换器V_DCB的输出电压为U_DCopt，从而使无线电能传输系统的效率优化到最高值。

进一步地，所述步骤3中，根据公式(1)计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT，所述公式(1)为：

进一步地，所述步骤4中，根据公式(2)计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn，所述公式(2)为：

其中，P_Leqi为负载R_Li吸收的有功功率，Re[]为取复数的实部，U_PRi为发射端电压，表达式为U_PRi＝U_Pi+I_PiR_Pi，U_Pi为L_Pi和C_Pi上的电压之和，I_Pi为通过L_Pi的电流，M_i为第i个发射线圈电感L_Pi与第i个接收线圈电感L_Si的互感值，M_i＝M，R_Pi为第i个发射线圈的内阻，R_Pi＝R_P，R_Si为第i个接收线圈的内阻，R_Si＝R_S，ω为系统谐振角频率：

其中，C_Pi为第i个发射线圈补偿电容，C_Si为第i个接收线圈补偿电容。

进一步地，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：用数字分析方法计算公式(4)：

其中，

由上述公式(4)和公式(5)得出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt；

步骤5.2：再由接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt计算公式(6)：

从而，得到使系统效率达到最高的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt。

适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，相比于有序负载的一对多无线电能传输系统，本发明的负载不需要按顺序放置，局限性小，再通过系统建模与控制算法结合，实现系统的效率优化，提高了无线电能传输系统的传输效率。

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的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括适用于无序负载的一对多无线电能传输系统，以及效率优化控制方法，

所述适用于无序负载的一对多无线电能传输系统包括直流电压源E，与直流电压源E依次连接的直流电压变换器V_DCB和高频逆变器V_T，所述高频逆变器V_T交流输出端的一端串联LCL补偿网络的第二谐振电感L_PT2，所述第二谐振电感L_PT2串联若干个开关S_n，其中，n≥1，所述高频逆变器V_T交流输出端的另一端串联LCL补偿网络的第一谐振电感L_PT1后与若干个开关S_n连接，所述若干个开关S_n中的每一个开关上都并联一个发射线圈，所述发射线圈通过电磁耦合与接收线圈连接，所述接收线圈与负载R_Ln连接，其中，n≥1；

所述一个发射线圈包括串联的一个发射线圈电感L_Pn，其中，n≥1，和一个发射线圈补偿电容C_Pn，其中，n≥1；

所述一个接收线圈包括串联的一个接收线圈电感L_Sn，其中，n≥1，和一个接收线圈补偿电容C_Sn，其中，n≥1，所述接收线圈电感L_Sn与发射线圈电感L_Pn互感；

所述效率优化控制方法具体包括以下步骤：

步骤1：确定实际负载R_L1、R_L2、……、R_Ln的个数，即n的值；

步骤2：测量系统中发射线圈电感L_P1、L_P2、……、L_Pn与发射线圈补偿电容C_P1、C_P2、……、C_Pn两端的电压U_RP1、U_RP2、……、U_RPn，和直流电压变换器V_DCB的输出电压U_DC；

步骤3：计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT；

步骤4：计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn；

步骤5：用数字分析方法计算出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt后，再计算出此时的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt；

步骤6：设置直流电压变换器V_DCB的输出电压为U_DCopt，从而使无线电能传输系统的效率优化到最高值。

2.根据权利要求1所述的适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3中，根据公式(1)计算高频逆变器V_T的输出电压U_PT，所述公式(1)为：

3.根据权利要求2所述的适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，根据公式(2)计算负载R_L1、R_L2、……、R_Ln吸收的有功功率P_Leq1、P_Leq2、……、P_Leqn，所述公式(2)为：

其中，P_Leqi为负载R_Li吸收的有功功率，Re[]为取复数的实部，U_PRi为发射端电压，表达式为U_PRi＝U_Pi+I_PiR_Pi，U_Pi为L_Pi和C_Pi上的电压之和，I_Pi为通过L_Pi的电流，M_i为第i个发射线圈电感L_Pi与第i个接收线圈电感L_Si的互感值，M_i＝M，R_Pi为第i个发射线圈的内阻，R_Pi＝R_P，R_Si为第i个接收线圈的内阻，R_Si＝R_S，ω为系统谐振角频率：

其中，C_Pi为第i个发射线圈补偿电容，C_Si为第i个接收线圈补偿电容。

4.根据权利要求3所述的适用于无序负载的一对多无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：用数字分析方法计算公式(4)：

其中，

由上述公式(4)和公式(5)得出使系统效率达到最高的接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt；

步骤5.2：再由接收线圈电感L_Sn的感应电压U_Sopt计算公式(6)：

从而，得到使系统效率达到最高的直流电压变换器V_DCB的感应电压U_DCopt。

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