CN110571941B - 一种无线电能传输系统及其负载识别定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线电能传输系统及其负载识别定位方法，基于LCC‑S型补偿拓扑结构下的，其步骤包括：提出并搭建多负载系统电路、确定系统参数、监测系统输入端电流，判断是否开始进行负载识别，通过调整副边的开关组合，实现实际负载与测试负载之间的切换，测量不同时刻的输入电压和电流并得到功率，进而得到实际负载的数量。本发明通过检测系统输入端电流是否发生变化，可以在系统任何初始状态开始进行负载识别，同时在系统稳定运行时检测输入电流可以监测是否有新的负载接入或是旧的负载切除，实现整个系统可以动态识别负载，提升了系统的动态性能；且无需额外的通讯装置，硬件成本低，仅在系统发射端进行测试就可以进行负载个数的动态识别。

Description

一种无线电能传输系统及其负载识别定位方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种无线电能传输系统及其负载识别定位方法。

背景技术

无线电能传输技术的出现可有效克服传统有线供电方式的一系列缺点，如：设备移动灵活性差、环境不美观、容易产生接触火花、供电线暴露等，特别适用于移动设备、电动汽车、易燃易爆环境和水下、油田井下设备的安全供电。目前无线电能传输技术已经被广泛应用于诸多领域。随着无线电能传输技术的飞速发展，一对多的无线电能传输系统，即单个电能发射端与多个电能接收端组成的系统能够满足对多个负载同时充电的需求。

通常，在多负载的无线电能传输系统中，在发射端和接收端需要建立如蓝牙等的通信系统进行通讯才能将多个负载的状态实时发送给发射端，除了增加了系统设计的复杂度，还会增加设备成本。另外，对于多负载的无线电能传输系统大部分研究将所有负载等效为相同的负载来进行研究，虽然便于模型的建立，但实际运用中负载是不同的，因此所提出的方法不具有普遍性。并且，多数研究只能检测系统稳态时候的负载个数，不能解决负载发生动态切换时候的识别问题。此外，一些研究中采用开关投切的方式使得发射端采用断续的工作方式，检测不同时刻的发射功率来的得到负载的数量，发射端断续的方式导致接收端负载在发射端处于断开时发生功率跌落的情况，这影响了多负载无线电能传输系统的传输性能。

发明内容

本发明的目的为克服上述存在的问题，提出了一种无线电能传输系统及其负载识别定位方法，在不使用无线通讯模块的基础上，使用较低的硬件成本，实现多负载无线电能传输系统中负载个数的动态识别，适用于不同的负载的情况，具有普遍性，同时解决了负载端的功率跌落或充电断续问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括直流电源、电压电流采样电路、第一DSP控制器、高频逆变电路、有效值检测电路和原边补偿电路；所述电流电压采样电路与直流电源的输出端相连，采集系统的输入电压和电流，电流电压采样电路的输出端与第一DSP控制器的输入端连接，第一DSP控制器通过电压电流采样电路采集到的电压和电流值进行处理得到系统的输入功率；所述高频逆变电路是由4个开关管S₁、S₂、S₃和S₄组成的全桥逆变电路，4个开关管的门极与第一DSP控制器的输出端连接，第一DSP控制器产生高频逆变电路的驱动信号；所述原边补偿电路包括补偿电容C_S、原边发射线圈电感L_S并联补偿电容C_P，再与补偿电感L_P串联组成；所述有效值检测电路的输入端连接于电容CS和电感LS之间，有效值检测电路的输出端与第一DSP控制器的输入端连接；所述的接收端包括一组接收单元，每个接收单元包含副边补偿电路、整流电路、负载电路和第二DSP控制器；所述每个接收单元的副边补偿电路由补偿电容C_i和副边接受线圈电感L_i串联组成，所述整流电路采用模块化的不控全桥整流，所述负载电路由实际负载R_Li串联开关S_i3后与超级电容组C_ti并联，接着串联开关S_i2，之后与测试负载R_ti和开关S_i1组成的串联支路并联。

本发明还公开了一种无线电能传输系统负载识别定位方法，包括以下步骤：

(1)构建上述的一种无线电能传输系统；

(2)定义用于无线电能传输系统的参数，所述无线电能传输系统的参数包括，直流电源的直流电压E，电流电压采样电路采集到的电流I和电压U，高频逆变电路的输出电压有效值U_S，原边补偿电感L_P，补偿电容C_P和C_S，电感L_S，通过有效值检测电路检测到的电流有效值I_S，副边电感L_i，补偿电容C_i，副边电感L_i上的电压有效值U_i，测试负载R_ti，实际负载R_Li，超级电容组C_ti，原边线圈和个副边线圈之间的互感Mi系统的谐振角频率ω，其中，L_i＝L₁,Ri＝R₁,C_i＝C₁,R_ti＝R_t1,M_i＝M₁,i为系统中实际负载的个数，采用LCC-S型的补偿拓扑结构，谐振角频率ω

满足：

公认的，LCC-S型的无线电能传输系统具有原边发射线圈恒流、副边接收线圈恒压的特性；由于多负载无线电能传输系统实际应用当中很难保证每个负载的大小是一样的，因此本发明实际负载R_Li的值是不相等的。

(3)通过第一DSP控制器检测电流电压采样电路中采集电流的I₀，记录此时系统稳态时的输入电流I₀，是否发生变化，如果发生变化，则转入下一步；

(4)通过第二DSP控制将每个接收端的三个开关的开关状态置为S＝[0,0,1]，通过第一DSP控制器采集系统输入电压U₁和输入电流I₁，并计算空载时的系统输入功率；

(5)通过第二DSP控制器调整所有接收端三个开关的开关状态为S＝[1,0,1]，此时每个接收端接入相等的测试负载R₁，同样通过电流电压采样电路采集系统此时的输入电流I₂和输入电压U₂，通过公式P₂＝U₂×I₂计算此时的系统输入功率，LCC-S型补偿拓扑中副边线圈的电压为

(6)通过有效值检测电路测量得到原边线圈电流有效值，计算得到每个接收线圈的电压U_i，得到每个测试负载上的功率P₃；

(7)所有负载消耗的总功率由P₂-P₁得到，所以最终可得接收端的数量i：

(8)最后，通过第二DSP控制器将每个接收端的三个开关置为S＝[0,1,1]，此时实际负载和超级电容组接入电路，恢复正常供电。

有益效果：

通过系统输入电流的监测来判断负载个数是否发生变化，以此作为负载识别的起点，因此能根据系统负载的动态变化进行动态个数识别。依据本发明中无线电能传输系统的拓扑特性，通过测量系统发射端的电流电压，切换接收端实际负载和测试负载使得系统处于不同的输入功率情况，再对发射端线圈电流进行检测，从而可以识别负载的个数。相对于大部分研究针对的是同一种负载的系统，本发明可以实现负载不同时的识别功能。

特别的，为了防止在切开实际负载的时候，实际负载上的功率发生跌落，接收不到电能、发生断续充电的情况，影响系统的传输性能，本发明提出在实际负载的前面并联超级电容组，提供瞬时功率输出，满足了开关切换时短时间功率支持，防止在开关切换的时候发生负载功率跌落，依旧处于连续充电的状态。

本发明无需额外的通讯装置，硬件成本低，仅在系统发射端进行测试就可以进行负载个数的动态识别，适用于接收端含有不同的负载的情况，具有普遍性，同时解决负载端功率跌落问题，使实际负载始终处于连续充电的状态。

附图说明

图1为本发明所述的无线电能传输系统电路框图。

图2为本发明所述的无线电能传输系统电路原理图。

图3为本发明所述的无线电能传输系统负载识别定位方法流程。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本实施例公开了一种无线电能传输系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括：直流电源1、电压电流采样电路2、第一DSP控制器9、高频逆变电路3、有效值检测电路4和原边补偿电路5；接收端包括：一组接收单元，每个接收单元包含副边补偿电路6、整流电路7、负载电路8和第二DSP控制器10。

其中，所述电流电压采样电路2与直流电源1的输出端相连，采集系统的输入电压和电流，电流电压采样电路2的输出端与第一DSP控制器9的输入端连接，所述高频逆变电路3是由4个开关管S₁、S₂、S₃和S₄组成的全桥逆变电路，4个开关管的门极与第一DSP控制器9的输出端连接，所述原边补偿电路5为补偿电容C_S、原边发射线圈电感L_S并联补偿电容C_P，再与补偿电感L_P串联组成，所述有效值检测电路4的输入端连接于电容C_S和电感L_S之间，有效值检测电路4的输出端与第一DSP控制器9的输入端连接，所述每个接收单元的副边补偿电路由补偿电容C_i和副边接受线圈电感L_i串联组成，所述整流电路7采用模块化的不控全桥整流，所述负载电路8由实际负载R_Li串联开关S_i3后与超级电容组C_ti并联，接着串联开关S_i2，之后与测试负载R_ti和开关S_i1组成的串联支路并联。

本实施例还公开了上述一种无线电能传输系统负载识别定位方法，包括以下步骤：

步骤1：构建上述的一种无线电能传输系统；

步骤2：定义用于无线电能传输系统的参数，所述无线电能传输系统的参数包括，直流电源1的直流电压E，电流电压采样电路采集到的电流I和电压U，高频逆变电路3的输出电压有效值U_S，原边补偿电感L_P，补偿电容C_P和C_S，电感L_S，通过有效值检测电路4检测到的电流有效值I_S，副边电感L_i，补偿电容C_i，副边电感L_i上的电压有效值U_i，测试负载R_ti，实际负载R_Li，超级电容组C_ti，原边线圈和个副边线圈之间的互感M_i系统的谐振角频率ω。其中，L_i＝L₁,R_i＝R₁,C_i＝C₁,R_ti＝R_t1,M_i＝M₁,i为系统中实际负载的个数，由于采用的是LCC-S型的补偿拓扑结构，谐振角频率ω满足：

公认的，LCC-S型的无线电能传输系统具有原边发射线圈恒流、副边接收线圈恒压的特性；

特别的，由于多负载无线电能传输系统实际应用当中很难保证每个负载的大小是一样的，因此本发明实际负载R_Li的值是不相等的。

步骤3：进行LCC-S型无线电能传输系统负载个数识别，首先对于副边每个接收端的三个开关S_i1、S_i2和S_i3的开关状态进行定义，用“1”表示开关闭合，“0”表示开关断开，所以这三个开关状态可用含有3个元素的矩阵S表示，第1个元素表示S_i1的开关状态，第2个元素表示S_i2的开关状态，第3个元素表示S_i3的开关状态，开关S_i3的开关或闭合表示此接收端部分是否有实际负载，理论上有9种组合。

无线电能传输系统在进行稳态充电时，副边三个开关开关状态为S＝[0,1,1]，通过第一DSP控制器9检测电流电压采样电路2中采集电流的I₀，记录此时系统稳态时的输入电流I₀，当系统动态的出现负载接入或切除时，意味着副边到原边的等效阻抗发生变化，导致整个系统的输入阻抗发生变化，所以I₀也发生变化，由此来判断是否有负载接入或切除，即是否进行负载个数识别，实现了系统动态负载识别。

在进行系统负载个数识别时，首先通过第二DSP控制器10将每个接收端的三个开关的开关状态置为S＝[0,0,1]，即使得所有接收端空载，但保持实际负载和超级电容组C_ti构成回路，短时间内实际负载上的功率不会发生剧烈波动，此时通过第一DSP控制器9采集系统输入电压U₁和输入电流I₁，并计算空载时的系统输入功率P₁＝U₁×I₁；

接着，通过第二DSP控制器10调整所有接收端三个开关的开关状态为S＝[1,0,1]，此时每个接收端接入相等的测试负载R_t1，同样通过电流电压采样电路采集系统此时的输入电流I₂和输入电压U₂，通过公式P₂＝U₂×I₂计算此时的系统输入功率，LCC-S型补偿拓扑中副边线圈的电压为：

由于各接受线圈与发射线圈的互感是相等的，且LCC-S的原边发射线圈恒流特性，

恒定不随负载变化为定值，其有效值为I_s，通过有效值检测电路4测量得到，所以各接受线圈

的有效值Ut_i相等，再者由于所有测试负载相等，所以此时每个接受端测试负载上的功率是相等的，定义每个测试负载上消耗的功率为P₃，所以：

所有负载消耗的总功率可由P₂-P₁得到，所以最终可得接收端的数量i：

最后，通过第二DSP控制器10将每个接收端的三个开关置为S＝[0,1,1]，此时实际负载和超级电容组接入电路，恢复正常供电。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于：包括发射端和接收端，其中，发射端包括直流电源、电压电流采样电路、第一DSP控制器、高频逆变电路、有效值检测电路和原边补偿电路；所述电流电压采样电路与直流电源的输出端相连，采集系统的输入电压和电流，电流电压采样电路的输出端与第一DSP控制器的输入端连接，第一DSP控制器通过电压电流采样电路采集到的电压和电流值进行处理得到系统的输入功率；所述高频逆变电路是由4个开关管S₁、S₂、S₃和S₄组成的全桥逆变电路，4个开关管的门极与第一DSP控制器的输出端连接，第一DSP控制器产生高频逆变电路的驱动信号；所述原边补偿电路包括补偿电容C_S、原边发射线圈电感L_S并联补偿电容C_P，再与补偿电感L_P串联组成；所述有效值检测电路的输入端连接于电容C_S和电感L_S之间，有效值检测电路的输出端与第一DSP控制器的输入端连接；所述的接收端包括一组接收单元，每个接收单元包含副边补偿电路、整流电路、负载电路和第二DSP控制器；所述每个接收单元的副边补偿电路由补偿电容C_i和副边接受线圈电感L_i串联组成，所述整流电路采用模块化的不控全桥整流，所述负载电路由实际负载R_Li串联开关S_i3后与超级电容组C_ti并联，接着串联开关S_i2，之后与测试负载R_ti和开关S_i1组成的串联支路并联；

所述无线电能传输系统的负载识别定位方法，包括以下步骤：

(1)构建所述的一种无线电能传输系统；

(2)定义用于无线电能传输系统的参数，所述无线电能传输系统的参数包括，直流电源1的直流电压E，电流电压采样电路采集到的电流I和电压U，高频逆变电路3的输出电压有效值U_S，原边补偿电感L_P，补偿电容C_P和C_S，电感L_S，通过有效值检测电路4检测到的电流有效值I_S，副边电感L_i，补偿电容C_i，副边电感L_i上的电压有效值U_i，测试负载R_ti，实际负载R_Li，超级电容组C_ti，原边线圈和个副边线圈之间的互感M_i系统的谐振角频率ω，其中，L_i＝L₁,R_i＝R₁,C_i＝C₁,R_ti＝R_t1,M_i＝M₁,i为系统中实际负载的个数，采用LCC-S型的补偿拓扑结构，谐振角频率ω满足：

(3)通过第一DSP控制器检测电流电压采样电路中采集电流的I₀，记录此时系统稳态时的输入电流I₀，是否发生变化，如果发生变化，则转入下一步；

(4)通过第二DSP控制将每个接收端的三个开关的开关状态置为S＝[0,0,1]，通过第一DSP控制器采集系统输入电压U₁和输入电流I₁，并计算空载时的系统输入功率P₁＝U₁×I₁；

(5)通过第二DSP控制器调整所有接收端三个开关的开关状态为S＝[1,0,1]，此时每个接收端接入相等的测试负载R₁，同样通过电流电压采样电路采集系统此时的输入电流I₂和输入电压U₂，通过公式P₂＝U₂×I₂计算此时的系统输入功率，LCC-S型补偿拓扑中副边线圈的电压为

(6)通过有效值检测电路测量得到原边线圈电流有效值I_s，计算得到每个接收线圈的电压U_i，得到每个测试负载上的功率P₃；

(7)所有负载消耗的总功率由P₂-P₁得到，所以最终可得接收端的数量i：

(8)最后，通过第二DSP控制器将每个接收端的三个开关置为S＝[0,1,1]，此时实际负载和超级电容组接入电路，恢复正常供电。

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