CN110350675A - 一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法 - Google Patents

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李阳
赵景太
汪星华
杨庆新
徐晖
姜山
马靖男
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Tianjin Polytechnic University
CRRC Tangshan Co Ltd
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CRRC Tangshan Co Ltd
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Abstract

本发明提供一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,该方法在直流电源与逆变电路之间添加Buck电路,将系统发射线圈与接收线圈的定值调谐电容替换为可调电容与定值电容阵列的组合。在动态无线电能传输系统中,当发射线圈与接收线圈之间发生相对错位导致互感发生变化时,系统的传输功率和效率都会降低,通过调节Buck电路的输出电压使无线电能传输系统的输出功率恒定不变,再通过测量电压电流相位关系后,计算并调节谐振网络和逆变电源开关频率的最优组合使得当前系统保持最优效率,从而克服在动态工况下无线电能传输系统因发射线圈与接收线圈相对错位而导致的功率波动与效率降低的问题。

Description

一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法
技术领域
本发明属于无线电能传输领域,特别是涉及到了一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法。
背景技术
无线电能传输技术是一种新型的电能传输技术,是一个极具潜力的技术领域,有着十分重要的应用和价值,在一些特殊场合下具有广泛应用,如钻井、工矿、水下探测等。感应耦合式无线电能传输能在较短距离下传输较大的功率同时保持较高的效率,有着较好的发展和应用前景,其系统主要由电源、发射线圈和接收线圈组成。
影响无线电能传输系统应用的核心问题是发射线圈与接收线圈之间的能量传输功率和效率问题。在理想情况下,无线电能传输系统发射线圈与接收线圈通过与谐振网络相连接处于同一谐振频率下,此时系统的传输功率和传输效率均可达到最优值。然而在动态工况下,发射线圈与接收线圈可能会发生相对错位,从而导致线圈间互感变换,影响线圈与系统的谐振情况,导致系统功率和效率降低。为了提高系统的传输功率和效率,之前的方案会通过调节逆变电源的输出频率来使发射线圈和接受线圈再次处于系统整体谐振状态,但由于发射线圈和接收线圈很难保持自谐振,所以输出的功率和效率不是系统可以达到的最优值。
发明内容
为解决动态工况下,因发射线圈与接收线圈发生相对错位而导致互感变化,系统传输功率和效率降低的技术问题,本发明提出一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,使系统可以维持额定功率运行,并在动态工况下保持最大效率。
为了实现以上目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,其特征在于,所述无线电能传输系统从交流电源端Us起分别有整流模块1、滤波模块、控制器1、Buck降压电路模块、交流逆变器、发射线圈与谐振网络1、接收线圈与谐振网络2、控制器2、接收线圈整流模块2、滤波模块和负载电阻;其中控制器1用于测量发射线圈电压电流的幅值和相位、驱动Buck电路与交流逆变器,控制器2用于测量接收线圈电压电流的幅值和相位并通过通信传送给控制器1,谐振网络1、2均由定值电容阵列与可调电容组成;所述恒功率与最大效率的方法包括步骤:
(1)在静态工况下,调整谐振网络与交流逆变器输出频率使得发射线圈与接收线圈的输出电压幅值相等,相位差为90°,此时无线电能传输系统的传输效率达到最大值,调整控制器控制Buck降压电路模块的输出电压,使得负载接收到额定功率;
(2)当系统处于动态工况下,发射线圈与接收线圈发生相对错位,发射线圈与接收线圈之间的互感发生改变,导致无线电能传输系统的传输功率和传输效率降低时,首先调节控制器1控制Buck降压电路模块提升输出电压,保证功率稳定,系统正常运行;
(3)在步骤(2)进行的同时,测量发射线圈与接收线圈输出电压之间的相位差,计算出系统最大效率工作点所需要的谐振网络容值与谐振频率。调节谐振网络的定值电容阵列使其尽量靠近所需要的调谐电容容值后通过调节可调电容使谐振网络达到所需要的容值;
(4)在步骤(3)进行的同时,实时计算在当前谐振网络容值下,能使系统传输效率尽可能高的频率点,并通过调节控制器1控制交流逆变器工作在此频率;
(5)在步骤(4)进行的同时,测量系统传输功率,同步调节控制器控制Buck降压电路模块输出电压,保证输出功率额定,系统正常运行。
进一步的,所述的交流逆变器为全桥可变频逆变器。
进一步的,调节系统功率的方法为:通过调节Buck降压电路模块的输出电压,控制发射线圈的输出电压幅值,从而控制接收线圈与负载电阻接收到的功率,保证系统实时工作在额定功率下。
进一步的,在调节谐振网络的电容容值的同时调整交流逆变器的开关频率,使系统效率为当前谐振网络可达到的最大效率。
发明所述的一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,与现有技术相比,本发明提供的方法具备在动态工况系统功率和效率因发射线圈与接收线圈发生相对错位而导致降低的情况下,通过调节Buck电路输出电压、谐振网络和开关频率使无线电能传输系统保持额定功率和最大效率输出。该方法可以保证系统稳定运行,提高系统可靠性,并且调整速度快,调节过程中仍能保证较高传输效率和额定功率。
附图说明
图1为无线电能传输系统拓扑图;
图2为谐振网络结构图;
图3为可调电容容值曲线图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图对本发明做更进一步的说明。
本发明提供一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,如图1所示为无线电能传输系统拓扑图,该系统从交流电源端Us起分别有整流模块D1、滤波模块C1、控制器1、Buck降压电路模块、交流逆变器S2~S5、发射线圈与谐振网络C3、接收线圈与谐振网络C4、控制器2、接收线圈整流模块D3、滤波模块C5和负载电阻R3;其中整流模块D1、D3为全桥整流,控制器1用于测量发射线圈电压电流的幅值和相位、驱动Buck电路S1与全桥可变频交流逆变器中S2~S5的开关状态,控制器2用于测量接收线圈电压电流的幅值和相位并通过通信传送给控制器1,谐振网络1、2均由定值电容阵列与可调电容组成如图2所示,发射线圈由自感L2与线圈内阻R1组成,接收线圈由自感L3与线圈内阻R2组成。
图1所示的无线电能传输系统的电路拓扑中,C1=C2=C,L2=L3=L,R1=R2=R;图2所示的谐振网络结构图中包括定值电容阵列C11~C23,可调电容C14与步进电机相连接通过控制器1、2控制改变可调电容容值。
本发明控制原理如下:
控制器1通过调节Buck降压电路输出电压幅值可以改变发射线圈输出功率,当发射线圈与接收线圈的输出电压幅值一致,相位差为90°时,系统传输的功率最大。
当系统谐振时,系统的传输功率为:
当系统谐振时,系统的传输效率为:
系统谐振时的输入阻抗虚部为0,电源的工作频率与线圈的固有谐振频率一致,输入阻抗的实部受发射线圈与接收线圈间的互感M、负载R3和线圈自身的等效电阻R三个因素的影响,当发射线圈与接收线圈发生相对错位,即线圈间的互感发生变化时,系统的输入阻抗发生改变,此时系统不谐振,负载接收功率与效率也随之降低。为了克服这个问题,通过改变线圈的谐振网络从而改变线圈的谐振频率,同时调节逆变电源的输出频率跟踪系统的谐振频率,使系统保持谐振状态,能量能够在线圈间以最大效率传输,这种方法弥补了只通过调节频率而导致系统失谐的缺点,也无需添加额外的调节电路,增加系统的能量损耗。
线圈的补偿电容值和需要调节的工作频率为:
基于上述控制原理,本发明提供的一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法执行步骤如下:
(1)在静态工况下,调整谐振网络与交流逆变器输出频率使得发射线圈与接收线圈的输出电压幅值相等,相位差为90°,此时无线电能传输系统的传输效率达到最大值,调整控制器控制Buck降压电路模块的输出电压,使得负载接收到额定功率;
(2)当系统处于动态工况下,发射线圈与接收线圈发生相对错位,发射线圈与接收线圈之间的互感发生改变,导致无线电能传输系统的传输功率和传输效率降低时,首先调节控制器1控制Buck降压电路模块提升输出电压,保证功率稳定,系统正常运行;
(3)在步骤(2)进行的同时,测量发射线圈与接收线圈输出电压之间的相位差,计算出系统最大效率工作点所需要的谐振网络容值与谐振频率。调节谐振网络的定值电容阵列使其尽量靠近所需要的调谐电容容值后通过调节可调电容使谐振网络达到所需要的容值;
(4)在步骤(3)进行的同时,实时计算在当前谐振网络容值下,能使系统传输效率尽可能高的频率点,并通过调节控制器1控制交流逆变器工作在此频率;
(5)在步骤(4)进行的同时,测量系统传输功率,同步调节控制器控制Buck降压电路模块输出电压,保证输出功率额定,系统正常运行。
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 (4)

1.一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,其特征在于,所述无线电能传输系统从交流电源端Us起分别有整流模块1、滤波模块、控制器1、Buck降压电路模块、交流逆变器、发射线圈与谐振网络1、接收线圈与谐振网络2、控制器2、接收线圈整流模块2、滤波模块和负载电阻;其中控制器1用于测量发射线圈电压电流的幅值和相位、驱动Buck电路与交流逆变器,控制器2用于测量接收线圈电压电流的幅值和相位并通过通信传送给控制器1,谐振网络1、2均由定值电容阵列与可调电容组成;所述恒功率与最大效率的方法包括步骤:
(1)在静态工况下,调整谐振网络与交流逆变器输出频率使得发射线圈与接收线圈的输出电压幅值相等,相位差为90°,此时无线电能传输系统的传输效率达到最大值,调整控制器控制Buck降压电路模块的输出电压,使得负载接收到额定功率;
(2)当系统处于动态工况下,发射线圈与接收线圈发生相对错位,发射线圈与接收线圈之间的互感发生改变,导致无线电能传输系统的传输功率和传输效率降低时,首先调节控制器1控制Buck降压电路模块提升输出电压,保证功率稳定,系统正常运行;
(3)在步骤(2)进行的同时,测量发射线圈与接收线圈输出电压之间的相位差,计算出系统最大效率工作点所需要的谐振网络容值与谐振频率。调节谐振网络的定值电容阵列使其尽量靠近所需要的调谐电容容值后通过调节可调电容使谐振网络达到所需要的容值;
(4)在步骤(3)进行的同时,实时计算在当前谐振网络容值下,能使系统传输效率尽可能高的频率点,并通过调节控制器1控制交流逆变器工作在此频率;
(5)在步骤(4)进行的同时,测量系统传输功率,同步调节控制器控制Buck降压电路模块输出电压,保证输出功率额定,系统正常运行。
2.根据权利要求书1所述的一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,其特征在于,所述的交流逆变器为全桥可变频逆变器。
3.根据权利要求书1所述的一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,其特征在于,调节系统功率的方法为:通过调节Buck降压电路模块的输出电压,控制发射线圈的输出电压幅值,从而控制接收线圈与负载电阻接收到的功率,保证系统实时工作在额定功率下。
4.根据权利要求书1所述的一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法,其特征在于,在调节谐振网络的电容容值的同时调整交流逆变器的开关频率,使系统效率为当前谐振网络可达到的最大效率。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111245075A (zh) * 2020-03-24 2020-06-05 四川航天系统工程研究所 无线充电电路及其实现恒功率无线充电的参数选择方法

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