CN110350673A - 一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法，属于无线电能传输领域。本发明提出了一种新颖的WPT系统最大效率下的阻抗匹配网络优化方法。该方法分析了桥式整流电路的非线性、负载变化的适应性等涉及到最大效率跟踪的因素，为WPT系统在最大传输效率方面提供重要参考。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输领域，特别涉及一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络设计方法。
背景技术
本发明探讨了无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统在实际应用中有关传输效率的关键性问题，考虑到系统传输距离或负载的变化会导致电路非线性而引起传输效率降低。为使系统保持在最大效率点，本发明提出了一种新颖的WPT系统最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法，同时分析了桥式整流电路的非线性、负载变化的适应性等影响最大效率跟踪的因素。
一些研究表明，整流桥电路的非线性对系统的传输特性具有明显影响，而基于纯阻性等效整流性负载所设计的系统参数也将导致难以避免的误差。因此，整流性负载的非线性特征不可忽略，而现有的阻抗匹配方法大多将其作为阻性负载考虑将对系统的无功补偿带来误差。因此，研究整流性负载的非线性特征对无线充电系统参数设计过程的影响具有十分重要的意义。
本发明根据WPT系统最大效率传输的最优负载条件，分析了系统整流性负载的非线性特征，并根据此阻抗特征对T型阻抗匹配网络的设计方法做出优化。
发明内容
针对WPT系统因传输距离或负载的变化会导致电路非线性而引起传输效率降低的问题，为确保WPT系统工作在最大效率点，本发明提出了一种新颖的WPT系统最大效率下的阻抗匹配网络优化方法。该方法分析了桥式整流电路的非线性、负载变化的适应性等涉及到最大效率跟踪的因素，为WPT系统在最大传输效率方面提供重要参考。
本发明的技术方案如下：
一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法，步骤如下：
一、无线电能传输系统的结构
所述无线电能传输系统包括发射端和接收端；其中发射端与工频市电相连，由稳压电路模块、高频逆变模块和发射线圈组成；接收端为负载提供电能，由接收线圈、T型阻抗匹配网络和全桥整流电路组成；
所述稳压电路模块是将220V市电转换为48V直流电，并进行相应的平滑滤波，以消除电信号中的谐波；所述稳压电路模块输出后连接高频逆变模块。所述高频逆变模块是将48V直流电转变成高频交流电，所述高频逆变模块连接发射线圈。所述发射线圈是由谐振电容C1和发射线圈L1串联组成，高频逆变模块输出的高频电信号，使谐振电容C1和发射线圈L1组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流。
所述的接收线圈L2和谐振电容C2组成接收端的谐振补偿网络，具有与发射端相同的谐振频率。M为发射线圈和接收线圈之间的互感，两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示。R1、R2为发射电路和接收电路的等效电阻，Ri为负载侧等效电阻。通过电磁共振使能量从发射端传递至接收端。所述接收线圈模块连接阻抗匹配网络模块。所述T型阻抗匹配网络是由微处理器控制继电器阵列，实现相应匹配值切换的电容Cb1,Cb2和电感Lb组成的，T型阻抗匹配网络连接全桥整流电路。所述全桥整流电路模块由整流二极管D1、D2、D3和D4构成的，C3为整流桥滤波电容，利用其充、放电作用，使输出电压UL趋于平滑。全桥整流电路直接连接负载电阻RL。
二、无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络设计方法
(1)WPT系统传输模型中的发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，并假设二者的参数已经确定，其中u1为电能传输系统经过高频逆变电路之后的等效电压源，i1、i2分别为发送端和接收端的高频谐振电流。L1为发射线圈电感，L2为接收线圈电感，C1、C2为发射端和接收端对应的谐振补偿电容，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示。R1、R2为发射电路和接收电路的等效电阻，Ri为负载侧等效电阻。
(2)根据基尔霍夫电压定律对等效模型列回路方程得：
其中，和分别为电压u1，i1和i2的向量表示，Z1和Z2为发射端和接收端的等效阻抗，二者满足
(3)因为发射线圈和接收线圈结构相同，即L1＝L2＝L,R1＝R2＝R，且C1＝C2＝C。因此，通过对L和C选取适当的参数后，即可以确定电路的谐振频率
(4)基于公式(1)和(2)，可计算出两侧的电流值为：
其中ω是谐振角频率，满足ω＝2πf，当发生谐振时，即Z1＝R,Z2＝R+Ri。
(5)WPT系统的输入功率Pin和Ri端输出功率Pout可计算得：
其中，U1为输入电源电压u1的有效值，由式(4)可计算出传输效率η
(6)通过对公式(5)的Ri的求导，可得到传输效率最大化的最优负载条件为：
将式(6)带入式(5)，可计算出输出最大传输效率ηmax为：
(7)在全桥整流电路中，设定T型阻抗匹配网络的等效输出阻抗Zr＝Rr+jXr，其中Rr为整流性负载电阻，其值随负载电阻RL的波动而变化；Xr为整流桥电路中的寄生电抗。引入XS作为匹配阻抗变量，T型阻抗匹配网络的等效输入阻抗Zi为：
(8)为确保不影响整流性负载电路的输入输出特性，并结合公式(6)得到XS应满足以下条件：
其中Zi_ηmax为确保达到最大传输效率ηmax而所需的匹配电阻，表示所加的负载匹配网络中电容Cb2的容抗，当XS确定后，进而得到：
由式(10)计算的一组匹配电容和电感值，由ARM微处理器控制继电器阵列完成Cb1,Cb2和Lb的实时调整和切换，实现对T型阻抗匹配网络功能的实现，使得系统维持在最大传输效率下工作。
在实际应用中，如果负载RL变化，将会引起Rr也随之变化，同时系统的功率也会改变。此时，在无线电能传输系统中加入如图3所示的阻抗匹配网络，则可以通过实时改变XS维持Zi等于(7)式中的最佳负载电阻Ri-ηmax，进而实现最大效率点跟踪。同时，由公式(9)还可推导出XS和Rr之间的关系，表示为:
WPT系统最大效率跟踪下的阻抗匹配网络控制流程如图4所示。当发射端和接收端之间建立通信时，发射端控制器将初始化命令发送到接收端，并将初始设定值传送至接收端。发射端控制器结合系统当前XS,Rr和检测值u1,i1，并结合式(6)确定Ri-ηmax值。然后，将Ri-ηmax传送到接收端控制器。结合式(11)确定最佳匹配XS值，接收端控制器通过在线实时切换实现对阻抗匹配网络中电容Cb1,Cb2,电感Lb的调节。同时，接收端控制器通过ur,ir数据采集后，进行傅里叶变换分析，确定当前整流性负载的电阻Rr和电抗Xr。
本发明的有益效果：本发明专利根据建立的WPT系统等效电路模型，设计了新型的T型阻抗匹配网络，相比现有的方法，具有调节原理简单、工程实现容易、能使系统工作在最大传输效率点的优点。本发明专利提出的方法为WPT系统在整流电路存在非线性特性、负载变化等复杂情形下实现电能最大传输效率提供重要的理论依据和工程途径。
附图说明
图1为WPT系统传输的结构图。
图2为WPT系统的等效电路模型。
图3为WPT系统最大效率跟踪的主电路图。
图4为WPT系统最大效率跟踪下阻抗匹配网络控制流程。
图5为整流性负载的对比曲线。
图6为耦合系数k＝0.1下传输效率对比图。
图7为负载RL＝25Ω下传输效率对比图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。
1、本发明专利的MCR-WPT系统结构
本发明专利为一种WPT系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法。所述MCR-WPT系统包括发射端和接收端两部分。其中发射端和工频市电相连，由稳压电路模块、高频逆变模块和发射线圈模块组成。WPT系统接收端为负载提供电能，由接收线圈、阻抗匹配网络和全桥整流电路模块组成。目前，针对无中继的WPT系统，依据发射端与接收端的串并联谐振补偿方式，将MCR-WPT系统模型基本可分为串串、串并、并串和并并四种结构。本发明专利主要采用在实际应用系统中较广泛的串联谐振结构进行建模和分析，且发明专利中的分析方法适用于任一结构形式的WPT系统。
所述稳压滤波模块是将220V市电转换为48V直流电，并进行相应的平滑滤波，以消除电信号中的谐波。所述稳压滤波模块输出后连接高频逆变模块。
所述高频逆变模块是将48V直流电转变成高频交流电，本专利选用的逆变频率为100KHz。所述高频逆变模块连接发射线圈模块。
所述发射线圈模块是由谐振电容C1和发射线圈L1串联组成，高频逆变模块输出的高频电信号，使发射端谐振电容C1和发射线圈L1组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流。接收线圈模块L2和谐振电容C2组成接收端的谐振补偿网络具有和发射端相同的谐振频率。M为发射线圈和接收线圈之间的互感，两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示。R1、R2为发射电路和接收电路的等效电阻，Ri为负载侧等效电阻。通过电磁共振使能量从发射端传递至接收端。所述接收线圈模块连接阻抗匹配网络模块。
所述阻抗匹配网络模块是由微处理器控制继电器阵列，实现相应匹配值切换的电容Cb1,Cb2和电感Lb组成的T型阻抗匹配网络。所述阻抗匹配网络模块连接整流电路模块。
所述整流电路模块是由整流二极管D1-D4构成了的全桥整流，C3为整流桥滤波电容，利用其充、放电作用，使输出电压UL趋于平滑。整流电路模块直接连接负载电阻RL。
2、本发明专利的WPT系统传输模型
WPT系统传输模型中的发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，并假设二者的参数已经确定，其中u1为电能传输系统经过高频逆变电路之后的等效电压源，i1、i2分别为发送端和接收端的高频谐振电流。L1为发射线圈电感，L2为接收线圈电感，C1、C2为发射端和接收端对应的谐振补偿电容，M为发射线圈和接收线圈之间的互感，两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示。R1、R2为发射电路和接收电路的等效电阻，Ri为负载侧等效电阻。
根据基尔霍夫电压定律对等效模型列回路方程可得：
其中和分别为电压u1，i1和i2的向量表示，Z1和Z2为发射端和接收端的等效阻抗，二者满足
因为发射线圈和接收线圈结构相同，即L1＝L2＝L,R1＝R2＝R，且C1＝C2＝C。因此，通过对L和C选取适当的参数后，即可以确定电路的谐振频率
基于公式(1)和(2)，可计算出两侧的电流值为：
其中ω是谐振角频率,满足ω＝2πf，当发生谐振时，即Z1＝R,Z2＝R+Ri。WPT系统的输入功率Pin和Ri端输出功率Pout可计算得：
其中，U1为输入电源电压u1的有效值，由式(4)可计算出传输效率η
通过对公式(5)的Ri的求导，可得到传输效率最大化的最优负载条件为：
将式(6)带入式(5)，可计算出输出最大传输效率ηmax为：
根据上述得到的最大传输效率公式，可以分析并列写出本发明专利的实现原理。图3为本发明专利所述的WPT系统的电路图。左侧两个方框为通用的磁耦合谐振电路的发射端回路和部分接收端回路，从左边数第三个方框为本发明专利提出的T型阻抗匹配网络，最右侧方框内为通用的全桥整流电路，其中D1-D4构成了全桥整流，C3为整流桥滤波电容，利用其充、放电作用，使输出电压UL趋于平滑；电容Cb1,Cb2和电感Lb由微处理器控制继电器阵列实现相应匹配电容值的切换，进而实现本发明专利所提出的T型阻抗匹配网络功能，即确保输出最大传输效率ηmax。在图3中，ir,ur为整流桥输入电流及电压，Zi为谐振二次电路的等效输出阻抗，等同于阻抗匹配网络的等效输入阻抗。Zr为所示阻抗匹配网络的等效输出阻抗，等同于整流电路的等效输入阻抗。RL为负载电阻，UL和IL分别为RL的输出直流电压和直流电流。
如图3所示的T型阻抗匹配网络中，假定整流性负载阻抗Zr＝Rr+jXr，其中Rr为整流性负载电阻，其值随负载电阻RL的波动而变化；Xr为整流桥电路中的寄生电抗。现引入XS作为匹配阻抗变量，阻抗匹配网络如图3中进行设计，Zi可计算出：
为确保不影响整流性负载电路的输入输出特性，并结合公式(6)得到XS应满足以下条件：
其中Zi_ηmax为确保达到最大传输效率ηmax而所需的匹配电阻。当XS确定后，进而得到：
由式(10)计算的一组匹配电容和电感值，由ARM微处理器控制继电器阵列完成Cb1,Cb2和Lb的实时调整和切换，实现对阻抗匹配网络功能的实现，使得系统维持在最大传输效率下工作。
在实际应用中，如果负载RL变化，将会引起Rr也随之变化，同时系统的功率也会改变。此时，在无线电能传输系统中加入如图3所示的阻抗匹配网络，则可以通过实时改变XS维持Zi等于(7)式中的最佳负载电阻Ri-ηmax，进而实现最大效率点跟踪。同时，由公式(9)还可推导出XS和Rr之间的关系，表示为:
WPT系统最大效率跟踪下的阻抗匹配网络控制流程如图4所示。当发射端和接收端之间建立通信时，发射端控制器将初始化命令发送到接收端，并将初始设定值传送至接收端。发射端控制器结合系统当前XS,Rr和检测值u1,i1，并结合式(6)确定Ri-ηmax值。然后，将Ri-ηmax传送到接收端控制器。结合式(11)确定最佳匹配XS值，接收端控制器通过在线实时切换实现对阻抗匹配网络中电容Cb1,Cb2,电感Lb的调节。同时，接收端控制器通过ur,ir数据采集后，进行傅里叶变换分析，确定当前整流性负载的电阻Rr和电抗Xr。
本发明涉及的WPT系统电路主要参数如表1所示，根据前述技术方案，实施案例的步骤如下：
(1)参数初始化。当发射端和接收端建立通信时，发射端控制器将初始化命令发送到接收端，并将初始设定值传送至接收端。
(2)在一个采样周期内，分别执行：
①发射端控制器实时监测u1和i1，并计算耦合系数k值，用式(6)确定Ri-ηmax值。
②将k和Ri-ηmax传送到接收端控制器，用式(11)确定XS值，接收端控制器实现对阻抗匹配网络中电容Cb1,Cb2的调节。
③接收端控制器采集负载端电压ur和负载电流ir，并将检测值发至发射端控制器。同时通过傅里叶变换确定当前整流性负载的电阻Rr和电抗Xr。若Rr发生变化，则通过(11)式可以得到相应的XS值，同时实现对阻抗匹配网络中电容Cb1,Cb2的调节。
④若本周期内上述参数未变化，则不调节阻抗匹配网络参数。
(3)执行下一个采样周期的调节过程，回到步骤(2)。
实施例结果：
利用表1中给出的参数，通过在耦合系数k＝0.1下取负载RL不同值，借助Simulink工具对整流性负载的感性特征进行了仿真分析。按照图3的接收端阻抗匹配网络设计方法，通过对整流桥输入电压ur及电流ir进行傅里叶分析，可求解得到系统的等效整流性负载。图5为系统的整流性负载Zi随不同负载RL值变化的曲线。因发射端和接收端是相互独立，在仿真中未考虑发射端参数变化对整流性负载的影响。由图5可知，整流性负载Zi呈现感性特征，且其实部小于8RL/π2。当负载RL变化时，应采用本发明提出的阻抗匹配网络设计方法，重新设定阻抗匹配网络的参数。
结合表1中的系统参数进行阻抗匹配网络的设计，并进行了仿真分析。由前述分析可知，阻抗匹配网络中电容Cb1、Cb2的调整，取决于耦合系数k和RL是否变化。在不考虑开关器件、元件内阻等损耗的前提下，图6给出了系统在耦合系数k＝0.1时有无阻抗匹配网络，系统传输效率η在不同负载RL下的比较图。图7给出了系统在RL＝25Ω时有无阻抗匹配网络，系统传输效率η在不同耦合系数k下的比较图。
从上述仿真图可知，无线充电系统带有阻抗匹配网络的接收端可以实现最优负载匹配，同时由于阻抗匹配网络考虑了整流性负载的感性特征的影响，可以精确地将接收回路复阻抗的虚部匹配至接近零，所以在传输效率上较未带有阻抗匹配网络的系统有较大的提高。图7表明，在耦合系数k<0.25的场合下，带有阻抗匹配网络的系统较未带有阻抗匹配的系统传输效率更高且更稳定，非常接近目标设定值。在k≥0.25的场合下,两者均能接近设定目标值。
本发明针对WPT系统因传输距离或负载的变化会导致电路非线性而引起传输效率降低问题，建立了WPT系统的等效电路模型。为使系统工作在最大效率点，提出了一种新颖的阻抗匹配网络结构和动态优化WPT系统最大传输效率的方法。该方法可分析桥式整流电路的非线性、负载变化的适应性等涉及到最大效率跟踪的因素，为WPT系统实现最大传输效率提供重要依据。。
Claims (1)
1.一种无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络优化方法，其特征在于，步骤如下：
一、无线电能传输系统的结构
所述无线电能传输系统包括发射端和接收端；其中发射端与工频市电相连，主要由稳压电路模块、高频逆变模块和发射线圈组成；接收端为负载提供电能，由接收线圈、T型阻抗匹配网络和全桥整流电路组成；
所述稳压电路模块是将220V市电转换为48V直流电，并进行相应的平滑滤波，以消除电信号中的谐波，稳压电路模块输出后连接高频逆变模块；所述高频逆变模块是将48V直流电转变成高频交流电，高频逆变模块连接发射线圈；所述发射线圈由谐振电容C1和发射线圈L1串联组成，高频逆变模块输出的高频电信号，使谐振电容C1和发射线圈L1组成的串联谐振回路产生谐振电压和谐振电流；
所述的接收线圈L2和谐振电容C2组成接收端的谐振补偿网络，具有与发射端相同的谐振频率；M为发射线圈和接收线圈之间的互感，两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数表示；R1、R2为发射电路和接收电路的等效电阻，Ri为负载侧等效电阻，通过电磁共振使能量从发射端传递至接收端，接收线圈连接T型阻抗匹配网络；所述T型阻抗匹配网络由通过微处理器控制继电器阵列，实现相应匹配值切换的电容Cb1,Cb2和电感Lb组成，T型阻抗匹配网络连接全桥整流电路；所述全桥整流电路由整流二极管D1、D2、D3和D4构成，C3为整流桥滤波电容，利用其充、放电作用，使输出电压UL趋于平滑，全桥整流电路直接连接负载电阻RL；
二、无线电能传输系统在最大效率跟踪下的阻抗匹配网络设计方法
(1)WPT系统传输模型中的发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率，并设二者的参数已经确定，其中u1为电能传输系统经过高频逆变电路之后的等效电压源，i1、i2分别为发送端和接收端的高频谐振电流；
(2)根据基尔霍夫电压定律对等效模型列回路方程得：
其中，和分别为电压u1，i1和i2的向量表示，Z1和Z2为发射端和接收端的等效阻抗，二者满足
(3)因为发射线圈和接收线圈结构相同，即L1＝L2＝L,R1＝R2＝R，且C1＝C2＝C；因此，通过对L和C选取适当的参数后，即确定电路的谐振频率
(4)基于公式(1)和(2)，计算出两侧的电流值为：
其中ω是谐振角频率，满足ω＝2πf，当发生谐振时，即Z1＝R,Z2＝R+Ri；
(5)WPT系统的输入功率Pin和Ri端输出功率Pout计算得：
其中，U1为输入电源电压u1的有效值，由式(4)计算出传输效率η
(6)通过对公式(5)的Ri的求导，得到传输效率最大化的最优负载条件为：
将式(6)带入式(5)，计算出输出最大传输效率ηmax为：
(7)在全桥整流电路中，设定T型阻抗匹配网络的等效输出阻抗Zr＝Rr+jXr，其中Rr为整流性负载电阻，其值随负载电阻RL的波动而变化；Xr为全桥整流电路中的寄生电抗；引入XS作为匹配阻抗变量，T型阻抗匹配网络的等效输入阻抗Zi为：
(8)为确保不影响整流性负载电路的输入输出特性，并结合公式(6)得到XS应满足以下条件：
其中Zi_ηmax为确保达到最大传输效率ηmax而所需的匹配电阻，表示所加的负载匹配网络中电容Cb2的容抗，当XS确定后，进而得到：
由式(10)计算的一组匹配电容和电感值，由微处理器控制继电器阵列完成Cb1,Cb2和Lb的实时调整和切换，实现对T型阻抗匹配网络功能的实现，使得系统维持在最大传输效率下工作。
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