CN110445259A - 一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法 - Google Patents

一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无线电传输技术领域的一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法，包括包括通过调整多发射机输入阻抗来分配发射机部分之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，当输入等效阻抗相同，多发射机系统效率得到最大值，所述发射部分包括电流采集模块、直流电源、高频逆变器、补偿电容、寄生电阻和初级线圈一到n。不需要计算系统的具体效率，只需要TXs的等效电阻相同时，效率即可达到最大值。

Description

一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法
技术领域
本发明涉及无线电传输技术领域，具体为一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法。
背景技术
无线功率传输(WPT)作为一种简单方便的充电方式被广泛应用于车辆、列车、生物医用植入物、便携式电子移动设备等诸多应用中，具有巨大的发展前景，在无线电能传输系统中，传输效率与发射和接收机的阻抗有关。传输效率的最大化需满足输入、输出阻抗的最佳匹配条件。通过调整输入阻抗的关系，实现传输效率的最大化。在实际中负载的阻抗并非恰好是系统的最佳阻抗，存在阻抗失配问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法，以解决上述背景技术中提出的的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法，包括通过调整多发射机输入阻抗来分配发射机部分之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，当输入等效阻抗相同，多发射机系统效率得到最大值，所述发射部分包括电流采集模块、直流电源、高频逆变器、补偿电容、寄生电阻和初级线圈一到n。
包括数据推导：输入等效阻抗与效率之间关系推导：n个发射机和一个接收的等效电路。各发射机的输入电压为Ui,Ci、Li、CS、LS分别为TX和RX中线圈的补偿电容和自感系数。MiS为Li与LS之间的互感，rS与RL为WPT系统RX与负载之间的寄生电阻。
所述多发射机WPT系统的电流、电压和互感之间的关系，其中每个TX和RX之间的耦合不同，通过调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，最大效率点与RX负载、耦合的绝对强度或线圈的寄生电阻无关，因此最大效率点跟踪MEPT的定位不需要RX和Tx之间的任何通信链。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1，不需要计算系统的具体效率，只需要TXs的等效电阻相同时，效率即可达到最大值。
2，可以调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，提高发生失配时的效率。
3，PI控制器调节反馈回路，增强回路的稳态性能。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。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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。
图1为本发明推导数据第一示意图；
图2为本发明推导数据第二示意图；
图3为本发明推导数据第三示意图；
图4为本发明推导数据第四示意图；
图5为本发明推导数据第五示意图；
图6位本发明推导数据第六示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-身份感应器外壳，2-验证口，3-活动盖板，4-推块，5-第一固定绑带，6-第二固定绑带，7-侧边滑槽，8-滑条，9-抽屉式承载板，10-内置侧边滑轨，11-第一减震弹簧，12-身份采集感应器，13-限位滑轮，14-身份证采集元件，15-暗槽，16-数据输出口，17-控制器外壳，18-控制器，19-天线，20-第二减震弹簧。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。本说明书(包括任何附加权利要求-摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
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，所描述的实施例仅仅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作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。
在对实施例进行描述之前，需要对一些必要的术语进行解释。例如：
若本申请中出现使用“第一”-“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，若提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
在本申请中出现的各种术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式意图也包括复数形式。
当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征-整体-步骤-操作-元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征-整体-步骤-操作-元件-部件和/或其群组的存在和/或附加。
请参阅图1-6，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，以双TXs系统为例，推导并讨论了在双TXs WPT系统中实现MEPT的效率、功耗和控制方法。
A系统效率分析
将式(3)n设为2，可由KVL方程得到回路电流，因此，系统效率(η)可以计算，本研究的重点是将BBP结构线圈应用到双TXs WPT系统中，消除了TXs之间互感的影响，耦合模型如图2所示：
线圈尺寸和运动方向如图2所示，两种TXs的重叠程度为42.1mm,TXs与RX的垂直距离为100mm。
图3为M12、M1S、M2S在水平方向发生偏移，距离(d)由0mm变为200mm时的波动情况，计算结果在ANSYS MAXWELL软件中得到，当RX水平向TX1移动时，M1S的变化很小，而M2s则迅速减小，此外，M12互感可以被识别为零，因为它是相互解耦的，线圈自感系数的波动小于1％，可以忽略不计。
根据式(9),输入电压Vg和η没有关系,但它对TXs之间的水平失调(d)和电压比(k)有一定的抑制作用，同时，通过计算RX在一定位置时的偏导数，给出了最大效率的解析解。
不同(d)时系统效率与电压比(k)的关系如图4所示，该方法利用优化后的电压比，可以在不同的失配情况下保持最大的效率。
B拓扑和控制方法
上述推导说明TXs的等效电阻是相同的，效率可以得到最大值，如图5所示，所以当U1与U2(k)之比等于M1S与M2S之比时，等效阻抗相同，从而使效率在双TXs系统中得到最大值，
如图6所示，每个TX由一个半桥逆变器驱动，在RX水平向TX1移动，M1S>M2S的情况下，在接收端引入升压变换器，等效阻抗R1和R2是一个函数对α(β)的函数，首先设α为50％。
该控制策略基于两个解耦控制反馈回路。第一个控制是利用PI控制器实现升压控制，通过调节升压逆变器的负载来实现恒功率输出。第二控制回路是主控制器，通过与PI控制器的降阶(β)来实现阻抗匹配。第二控制回路采用扰动观察法(P&O)求输入功率的最小值，使效率达到最大值。
在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的组成，结构或部件，均在本发明的权利要求书请求保护的技术方案限定技术保护范围之内。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”-“安装”-“相连”-“连接”均是广义含义，本领域技术人员应作广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是活动连接，或整体地连接，或局部地连接，可以是机械连接，也可以是电性连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通等，对于本领域的技术人员来说，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义，即，文字语言的表达与实际技术的实施可以灵活对应，本发明的说明书的文字语言(包括附图)的表达不构成对权利要求的任何单一的限制性解释。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法，其特征在于：包括通过调整多发射机输入阻抗来分配发射机部分之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，当输入等效阻抗相同，多发射机系统效率得到最大值，所述发射部分包括电流采集模块、直流电源、高频逆变器、补偿电容、寄生电阻和初级线圈一到n。
2.根据权利要求1所述的一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法，其特征在于：包括数据推导：输入等效阻抗与效率之间关系推导：n个发射机和一个接收的等效电路。各发射机的输入电压为Ui,Ci、Li、CS、LS分别为TX和RX中线圈的补偿电容和自感系数。MiS为Li与LS之间的互感，rS与RL为WPT系统RX与负载之间的寄生电阻。
假设每个TX的参数相同，因此对于每个线圈，每个TXi的TX侧寄生电阻(r)和自感系数(Li)相同。
系统中电感与电容的满足谐振，关系为
根据基尔霍夫电压定律(KVL)，矩阵方程为:
在s＝jω,ω表示角频率的系统,ω＝2πf。由于WPT系统中有n个发射机，系统中可能存在交叉耦合，这使得对系统的分析比较复杂。
为了减小交叉耦合的影响，简化系统分析，本文采用[12]中提出的BPP线圈设计作为耦合器。该耦合器由两个相同的部分重叠线圈组成，线圈之间相互解耦。Mmk＝0，1≤m≤n,1≤k≤n，m≠k在这个假设下，交叉耦合会小到可以忽略不计。
TXs和RX中的谐振电流可由式(2)推导得到
系统效率可表示为：
发射线圈的电流和电压可以调节到设计值，存在一组参数可以使总效率最大化。
本文提出了一种基于阻抗匹配的多发射机系统最大效率点跟踪策略。该方法通过调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，并在发生失配时提高效率。
基于其中一个分支的电流比km可以表示为
将(5)代入(4)可得效率为：
im和iS是和绝对值(大小)。(1≤m≤n)根据KVL，可以得到RX端方程为
iS·(rS+RL)-s·M1S·i1-s·M2S·i2-L-s·MnS·in＝0 (7)
代入(5)和式(7)，得到电流比i1/is是关于k1,k2……..kn的函数，可给出
将(8)代入(6)，则系统效率可简化为
寻找η变量的最大点,设置η(k1,k2,...kn)一阶偏导数,让它等于0,表示为
通过简化偏导(10)，可以将其转化为(11)
因此电流与互感之间的关系可以通过如下推倒解决
i1:i2:L:im＝M1S:M2S:L:MmS,(1≤m≤n) (12)
将(12)代入(2)，则变送器电压为:
U1:U2:L Un＝i1:i2:L in＝M1S:M2S:L MnS (13)
为了获得最大的效率，可以这样说，每个TX中电压/电流的比值等于TXs与RX之间的互感比。
一个TX的等效电阻可以定义为:
因此，式(14)可转化为：
R1＝R2＝R3＝L＝Rm，(m＝1,2,L,n) (15)
当TXs的等效电阻相同时，效率将达到最大值。此外，本准则(15)与RX负载、耦合的绝对强度或线圈的寄生电阻无关。
推导中所涉及引用的现有定理：[1]J.M.Miller,O.C.Onar and M.Chinthavali,"Primary-Side Power Flow Control of Wireless Power Transfer for ElectricVehicle Charging,"IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics,vol.3,pp.147-162,2015.
[2]J.H.Kim,B.Lee,J.Lee,S.Lee,C.Park,S.Jung,S.Lee,K.Yi,and J.Baek,"Development of 1-MW Inductive Power Transfer System for a High-Speed Train,"IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.62,pp.6242-6250,2015.
[3]D.Ahn and S.Hong,"Wireless Power Transmission With Self-RegulatedOutput Voltage for Biomedical Implant,"IEEE Transactions on IndustrialElectronics,vol.61,pp.2225-2235,2013.
[4]Y.Jang and M.M.Jovanovic,"A contactless electrical energy transmissionsystem for portable-telephone battery chargers,"IEEE Transactions onIndustrial Electronics,vol.3,pp.520-527,2002.
[5]W.X.Zhong,X.Liu and S.Y.R.Hui,"A Novel Single-Layer Winding Array andReceiver Coil Structure for Contactless Battery Charging Systems With Free-Positioning and Localized Charging Features,"IEEE Transactions on IndustrialElectronics,vol.9,pp.4136-4144,2010.
[6]S.A.Mirbozorgi,H.Bahrami,M.Sawan,and B.Gosselin,"A Smart MulticoilInductively Coupled Array for Wireless Power Transmission,"IEEE Transactionson Industrial Electronics,vol.11,pp.6061-6070,2014.
[7]X.Shi and J.R.Smith,"Large area wireless power via a planar array ofcoupled resonators,"in 2016 International Workshop on Antenna Technology(iWAT)Cocoa Beach,FL,USA,2016.
[8]M.Kiani and M.Ghovanloo,"A Figure-of-Merit for Designing High-Performance Inductive Power Transmission Links,"IEEE Transactions onIndustrial Electronics,vol.60,pp.5292-5305,2013.
[9]Y.Li,R.Mai,L.Lu,T.Lin,Y.Liu,and Z.He,"Analysis and TransmitterCurrents Decomposition Based Control for Multiple Overlapped TransmittersBased WPT Systems Considering Cross Couplings,"IEEE Transactions on PowerElectronics,vol.2,pp.1829-1842,2018.
[10]B.H.Waters,B.J.Mahoney,V.Ranganathan,and J.R.Smith,"Power Deliveryand Leakage Field Control Using an Adaptive Phased Array Wireless PowerSystem,"IEEE Transactions on Power Electronics,vol.30,pp.6298-6309,2015。
3.根据权利要求1所述的一种基于多发射无线电能传输系统的效率提升方法，其特征在于：所述多发射机WPT系统的电流、电压和互感之间的关系，其中每个TX和RX之间的耦合不同，通过调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，最大效率点与RX负载、耦合的绝对强度或线圈的寄生电阻无关，因此最大效率点跟踪MEPT的定位不需要RX和Tx之间的任何通信链路。
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