CN110022005A - 一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，包括直流电压源、分段式发射部分、接收部分，所述直流电压源作为总的输入电源，若干高频逆变电路并联在直流电压源的两端，每段发射部分均包括高频逆变电路、控制电路、第一串联电容、发射线圈和发射电路内阻，且每时刻只有一段发射部分处于工作状态，每段发射部分的第一串联电容、发射线圈和发射电路内阻依次串联后作为高频逆变电路的负载，控制电路通过采样发射线圈上的电流来控制高频逆变电路的开关管；接收部分由第二串联电容、接收线圈、接收电路内阻和负载依次串联构成。本发明在一定距离范围内不受负载移动引起的耦合系数变化的影响，实现恒定的输出功率，传输效率也高。

Description

一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输或无线输电的技术领域，尤其是指一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统。
背景技术
随着人们的生产生活方式朝着自动化、智能化的发展，无线电能传输技术也面临了巨大的发展机遇和挑战，动态无线电能传输技术也随之得到快速发展。
动态无线电能传输技术设想在负载的移动轨迹上铺设相应的无线供电装置，给移动中的设备不间断充电，理论上可实现负载连续移动里程的无限延伸，彻底解决受限于电池技术的续航问题，实现真正意义上的全自动工作。然而，动态无线电能传输技术受负载移动造成的耦合系数变化影响较大，一个能够稳定传输能量的动态无线电能传输系统需要对耦合系数的实时变化具有强鲁棒性。然而，目前大多数的动态无线电能传输系统都是基于磁耦合的工作原理，通过复杂的能量控制策略和发射线圈切换策略以保证在负载移动时能量的平稳传输，但是由于负载移动的速度、路径偏差等原因，导致由此设计的动态无线电能传输系统可靠性弱，功率传输不稳定。
而基于PT对称的动态无线电能传输系统能够抵抗由于负载移动造成的耦合系数变化而保持输出功率不变的特性，非常适用于移动负载的动态无线供电，且基于PT对称的动态无线电能传输技术的应用从未被提及，因此提出一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统具有实际价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，采用基于宇称时间(Parity Time，PT)对称的原理，利用分段式发射部分的结构实现移动负载的动态无线电能传输，参数设计灵活，性能完全区别于传统的磁耦合动态无线电能传输技术，能够在一定距离范围内不受负载移动引起的耦合系数变化的影响，从而实现恒定的输出功率，且传输效率维持在较高的恒定水平。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，所述系统包括直流电压源、分段式发射部分、接收部分，所述直流电压源作为总的输入电源，若干高频逆变电路并联在直流电压源的两端，每段发射部分均包括高频逆变电路、控制电路、第一串联电容、发射线圈和发射电路内阻，且每时刻只有一段发射部分处于工作状态，其中，每段发射部分的第一串联电容、发射线圈和发射电路内阻依次串联后作为高频逆变电路的负载，所述控制电路通过采样发射线圈上的电流来控制高频逆变电路的开关管；所述接收部分由第二串联电容、接收线圈、接收电路内阻和负载依次串联构成。
进一步，所述高频逆变电路为电压型单相半桥逆变电路。
进一步，所述系统具有PT对称条件，即kc＝(R2+RL)/ω0L2，其中，kc是每段发射线圈与接收线圈之间的最小耦合系数，ω0是发射线圈和接收线圈的固有谐振频率，满足C1为第一串联电容值，L1为发射线圈的电感值，C2为第二串联电容值，R2为接收电路内阻值，RL为接收部分的负载值，L2为接收线圈的电感值。
进一步，每段发射部分的发射线圈输出功率PL大小与发射线圈和接收线圈间的耦合系数变化无关，输出功率满足其中，ΓL＝RL/2L2，Γ10＝R1/2L1，Γ20＝R2/2L2，Ud为直流电压源的输出电压值，L1为发射线圈的电感值，R1为发射电路内阻值，R2为接收电路内阻值，RL为接收部分的负载值，L2为接收线圈的电感值。
进一步，所述系统的能量传输效率η与发射线圈和接收线圈间的耦合系数变化无关，传输效率满足其中，ΓL＝RL/2L2，Γ10＝R1/2L1，Γ20＝R2/2L2，L1为发射线圈的电感值，R1为发射电路内阻值，R2为接收电路内阻值，RL为接收部分的负载值，L2为接收线圈的电感值。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用电压型单相半桥逆变电路构建具有PT对称条件的恒功率动态无线电能传输系统，提高了系统输出功率，结构简单，成本较低。
2、采用分段式发射部分的结构形式，避免了传统的长导轨式动态无线电能传输系统的损耗大、效率低、电磁泄漏严重等问题。
3、利用PT对称原理设计恒功率动态无线电能传输系统，实现在一定传输距离内，系统输出功率不受因负载移动而造成的耦合系数变化的影响，且传输效率维持在较高的恒定水平，解决了目前动态无线电能传输系统中耦合系数变化引起传输功率波动的难题。
附图说明
图1为实施方式中提供的系统电路结构图。
图2为实施方式中的等效电路图。
图3为实施方式中的高频逆变电路输出电压电流的波形。
图4为实施方式中输出功率与传输效率随耦合系数的变化曲线。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，包括直流电压源Ud、分段式发射部分、接收部分和负载RL，所述直流电压源Ud作为总的输入电源，若干高频逆变电路1(具体为电压型单相半桥逆变电路)并联在直流电压源Ud的两端，每段发射部分均包括高频逆变电路1、控制电路2、第一串联电容C1、发射线圈L1和发射电路内阻R1，且每时刻只有一段发射部分处于工作状态，其中，每段发射部分的第一串联电容C1、发射线圈L1和发射电路内阻R1依次串联后作为高频逆变电路1的负载，所述控制电路2通过采样发射线圈L1上的电流来控制高频逆变电路1的开关管；所述接收部分由第二串联电容C2、接收线圈L2、接收电路内阻R2和负载RL依次串联构成。
为了分析方便，以分段式发射部分中的第一段发射线圈被激活工作时为例，得到本实施例上述移动负载的恒功率动态无线电能传输系统的等效电路如图2所示，图中，直流电压源Ud、高频逆变电路1、第一电容C1、发射线圈L1、发射电路的内阻R1依次串联连接，控制电路2通过采样发射线圈L1的电流来控制高频逆变电路1的开关管通断，从而使高频逆变电路1的输出电压电流满足图3所示的特性；接收线圈L2、第二电容C2、接收电路内阻R2和负载RL依次串联连接，原边和副边的线圈通过电磁耦合的方式实现无线电能传输，其中互感值为M。
由图2所示电路可以得到其耦合模状态方程为：
其中，a1、a2分别表示原副边的能量模，ω0为原副边线圈的固有谐振频率，κ＝k12ω0/2，Γ10＝R1/2L1，Γ20＝R2/2L2，ΓL＝RL/2L2。
当该电路达到稳态时，其能量模的幅值An、相角θn和工作角频率ω都是不变的，且应满足：
其中，为稳态时的原边能量模。通过求解上式，可以得到满足PT对称的条件为：
κ≥Γ20+ΓL
即
k≥(R2+RL)/ω0L2
此时可以得到该电路的输出功率PL和传输效率η的表达式为：
图4为输出功率与传输效率随耦合系数的变化曲线，可见，当发射线圈与接收线圈间的耦合系数大于一定值时，即在一定的传输距离范围内，系统的输出功率和传输效率均与耦合系数无关，即在负载的移动过程中，系统输出功率和传输效率均能保持恒定不变。
本发明的移动负载的恒功率动态无线电能传输系统的基本原理是：原边的高频逆变电路和控制电路使系统具有PT对称条件，发射部分采用分段式结构，同一时刻只有一段发射部分可以传输能量，接收部分的输出功率满足系统传输效率满足从而实现系统的输出功率和传输效率均与负载移动过程中的耦合系数变化无关。
由上述分析可知，本发明的移动负载的恒功率动态无线电能传输系统与传统的动态无线电能传输系统存在很大差异，本发明系统的优点显而易见，值得推广。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括直流电压源(Ud)、分段式发射部分、接收部分，所述直流电压源(Ud)作为总的输入电源，若干高频逆变电路(1)并联在直流电压源(Ud)的两端，每段发射部分均包括高频逆变电路(1)、控制电路(2)、第一串联电容(C1)、发射线圈(L1)和发射电路内阻(R1)，且每时刻只有一段发射部分处于工作状态，其中，每段发射部分的第一串联电容(C1)、发射线圈(L1)和发射电路内阻(R1)依次串联后作为高频逆变电路(1)的负载，所述控制电路(2)通过采样发射线圈(L1)上的电流来控制高频逆变电路(1)的开关管；所述接收部分由第二串联电容(C2)、接收线圈(L2)、接收电路内阻(R2)和负载(RL)依次串联构成。
2.根据权利要求1所述的一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，其特征在于：所述高频逆变电路(1)为电压型单相半桥逆变电路。
3.根据权利要求1所述的一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，其特征在于：所述系统具有PT对称条件，即kc＝(R2+RL)/ω0L2，其中，kc是每段发射线圈与接收线圈之间的最小耦合系数，ω0是发射线圈和接收线圈的固有谐振频率，满足C1为第一串联电容值，L1为发射线圈的电感值，C2为第二串联电容值，R2为接收电路内阻值，RL为接收部分的负载值，L2为接收线圈的电感值。
4.根据权利要求1所述的一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，其特征在于：每段发射部分的发射线圈输出功率PL大小与发射线圈(L1)和接收线圈(L2)间的耦合系数变化无关，输出功率满足其中，ΓL＝RL/2L2，Γ10＝R1/2L1，Γ20＝R2/2L2，Ud为直流电压源的输出电压值，L1为发射线圈的电感值，R1为发射电路内阻值，R2为接收电路内阻值，RL为接收部分的负载值，L2为接收线圈的电感值。
5.根据权利要求1所述的一种移动负载的恒功率动态无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的能量传输效率η与发射线圈(L1)和接收线圈(L2)间的耦合系数变化无关，传输效率满足其中，ΓL＝RL/2L2，Γ10＝R1/2L1，Γ20＝R2/2L2，L1为发射线圈的电感值，R1为发射电路内阻值，R2为接收电路内阻值，RL为接收部分的负载值，L2为接收线圈的电感值。
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