CN111030266A - 基于电磁超材料的无线充电系统及恒流恒压充电控制方法 - Google Patents

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李佳承
魏斌
王松岑
黄天一
黄学良
王若隐
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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超材料的无线充电系统及恒流恒压充电控制方法，用于对输电线的监测传感器充电，该系统包括发射端和接收端，所述发射端和接收端之间设有用于聚焦电磁场的电磁超材料，所述发射端包括取能电路、逆变电路和发射线圈，所述取能电路从输电线路上获得直流电压并输入至后端逆变电路，所述逆变电路为E类放大逆变电路，用于为发射线圈提供频率为兆赫兹的功率输出；所述接收端包括接收线圈、整流电路和直流变换器，所述发射线圈、电磁超材料和接收线圈以输电线为中心轴相互耦合，所述接收线圈通过聚焦电磁场接收电能。本发明结合电磁超材料，传输距离远，效率高；充电控制方法只需采集负载电流，提高了控制效率。

Description

基于电磁超材料的无线充电系统及恒流恒压充电控制方法
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统和无线电能传输方法，尤其涉及一种基于电磁超材料的无线充电系统及恒流恒压充电控制方法，适用于为输电线路上的监测传感器充电。
背景技术
泛在电力物联网旨在围绕电力系统各环节，充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力系统各环节万物互联、人机交互，打造具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务系统。然而，能否准确、实时的获取电网状态信息是实现万物互联、人机交互的关键，这需要保证高压输变电工程的状态监测传感器的供电稳定和可靠。由于在线监测传感器的适配电压远远小于输电线路的电压，因此无法从输电线上直接取电，目前采用的为输电线监测传感器供电的解决方案有：分布式能源供电、光纤激光供能和利用电流和电压互感器线路供能，虽各有优势，但存在供电不稳定、可靠性低和成本高等问题。为了进一步提高输电线路传感器的电池充电的高效性，保证安全、稳定性，需要一种新的电池充电系统和方法，实现无线充电系统提供高效和稳定的输出电流与输出电压。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于电磁超材料的无线充电系统及恒流恒压充电控制方法，用于对输电线的监测传感器进行充电，以实现高效且安全可靠的无线充电。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种基于电磁超材料的无线充电系统，用于对输电线的监测传感器进行充电，包括发射端和接收端，所述发射端和接收端之间设有用于聚焦电磁场的电磁超材料，所述发射端包括取能电路、逆变电路和发射线圈，所述取能电路从输电线路上获得直流电压并输入至后端逆变电路，所述逆变电路为E类放大逆变电路，为发射线圈提供频率为兆赫兹的功率输出；所述接收端包括接收线圈、整流电路和直流变换器，所述发射线圈、电磁超材料和接收线圈以输电线为中心轴相互耦合，所述接收线圈通过聚焦电磁场接收到电能，整流电路用于将交流信号转换为直流，再由直流变换器转换为满足负载要求的直流电信号。
在一种方案中，所述直流变换器中还包括有用于控制输出信号的第二开关管，所述接收端还包括电流采样电路和第二DSP控制器，所述电流采样电路采集负载的充电电流值并输入至第二DSP控制器，由第二DSP控制器控制所述第二开关管的占空比，用于实现对监测传感器的恒流恒压充电。
所述E类放大逆变电路包括第一开关管、谐振电感、谐振电容、电阻和第一DSP控制器，其中所述谐振电感、电阻和谐振电容顺次连接且并联在所述取能电路输出端，所述第一开关管的发射极和集电极分别连接谐振电容的两端，由第一DSP控制器提供驱动信号，所述E类放大逆变电路由谐振电容输出交流信号。
优选的，所述整流电路采用单相桥式不控整流电路，所述整流电路还包括滤波电容，所述滤波电容并联于单相桥式不控整流电路的输出端。
为进一步提高能量传输效率，所述发射端还包括原边补偿电路所述原边补偿电路位于所述逆变电路和发射线圈之间，用于提高电能发射效率；所述接收端还包括副边补偿电路，所述副边补偿电路位于接收线圈和整流电路之间，用于提高电能接收效率。
本发明还提供一种应用在上述无线充电系统中的恒流恒压充电控制方法，用于对输电线监测传感器充电，包括以下步骤：
(1)采集负载的充电电流IR，若充电电流IR小于监测传感器充电的最大充电电流IRMAX，则控制充电电流持续增加，直至IR趋于IRMAX，以恒定电流IRMAX为监测传感器充电；
(2)当监测传感器电池两端电压达到额定电压URMAX，则以恒定电压URMAX为监测传感器充电，负载的充电电流IR持续减小，当充电电流IR下降趋于零时，充电完成。
在一种方案中，所述直流变换器中还包括有用于控制直流变化器输出信号的第二开关管，所述接收端还包括电流采样电路和第二DSP控制器，所述电流采样电路采集负载的充电电流并输入至第二DSP控制器，则步骤(1)中所述的控制充电电流持续增加，是由第二DSP控制器增大第二开关管的驱动信号占空比D来实现的；步骤(2)中所述的以恒定电压URMAX为监测传感器充电，是由第二DSP控制器以恒定的最大驱动信号占空比DMAX为监测传感器充电来实现的，DMAX＝(URMAX-Uin)/URMAX，其中URMAX为检测传感器充电的额定电压，Uin为直流变换器的输入电压。
有益效果：相比于现有技术，本发明提供了一种基于电磁超材料的无线充电系统及恒流恒压充电控制方法，满足输变电工程实时在线监测传感器电池充电的要求；无线充电系统采用磁耦合谐振式的无线电能传输方式，结合电磁超材料，发射线圈发射兆赫兹频段的交流输出，与电磁超材料、接收线圈以输电线为中心轴相互耦合，提高了传输距离，传输效率高；在充电控制方面，本充电方法只需采集负载电流，与传统采集电流电压的恒流恒压充电策略相比，提高了控制效率，更适合本无线充电系统；本发明无需原副边通讯装置，结构简单，易于实现，可靠性高，实用性强。
附图说明
图1是本发明所述的无线充电系统结构示意图；
图2是本发明所述的无线充电系统的电路图；
图3是本发明所述的恒流恒压充电控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，是本发明所述的基于电磁超材料的无线充电系统结构示意图。该系统安装在输电线上，用于对输电线附近的监测传感器充电。该充电系统包括发射端和接收端，发射端和接收端之间设有用于聚焦电磁场的电磁超材料，发送端从输电线上获取电能，通过耦合的接收端接收电能，接收端的输出和监测传感器的可充电电池相连。其中，电磁超材料是一种零磁导率或负磁导率的超材料，该材料能够提高能量传输距离和传输效率，且厚度薄体积小。其内部结构以及实现方式已由中国专利CN106450784A、CN108599391A公开，本发明不再赘述。发射端包括取能电路、逆变电路和发射线圈，取能电路从输电线路上获得直流电压并输入至后端逆变电路。接收端包括接收线圈、整流电路，接收线圈通过聚焦电磁场与所述发射线圈耦合以接收电能，经过整流电路将交流信号转换为直流信号为监测传感器电池充电。在整流电路后加入直流变换器，将输入转换为满足负载要求的直流电信号输出。逆变电路采用E类放大逆变电路，产生频率为兆赫兹(MHz)的功率输出，所述发射线圈、电磁超材料和接收线圈以输电线为中心轴相互耦合，所述接收线圈通过聚焦电磁场接收电能，上述结构用以配合电磁超材料实现更高的传输距离和效率。
如图2所示是本发明所述的无线充电系统的电路图。其中，发射端包括：取能电路、逆变电路、第一DSP控制器1、原边补偿电路；接收端包括：副边补偿电路、整流电路、升压电路、电流采样电路、第二DSP控制器2。
取能电路从高压工频输电线路上获取能量，并转化为恒定的直流电压，接于逆变电路的输入端。
逆变电路是由第一开关管S1、谐振电感Le、谐振电容Ce、电阻Re组成的E类放大逆变电路。第一开关管S1的驱动信号由第一DSP控制器1提供。逆变电路的输出电压波形为正弦波。
原边补偿电路和副边补偿电路可以进一步提高能量传输效率。
原边补偿电路包括补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容CT、发射线圈LT。所述补偿电感L1与发射线圈LT、补偿电容CT顺次串联后，连接于逆变电路的输出端；所述补偿电容C1并联于串联的发射线圈LT和补偿电容CT的两端。
副边补偿电路包括接收线圈LR、与接收线圈LR串联的补偿电容CR。所述接收线圈LR与发射线圈LT相耦合。
整流电路包括二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4、滤波电容C2。所述二极管VD1、二极管VD2、二极管VD3、二极管VD4组成单相桥式不控整流电路，其输入端连接于副边补偿电路的输出端；所述滤波电容C2并联于单相桥式不控整流电路的输出端。
升压电路包括升压电感L2、第二开关管S2、二极管VD5、滤波电容CO。所述升压电感L2与二极管VD5、滤波电容CO顺次串联后，连接于整流电路的输出端；第二开关管S2并联于串联的二极管VD5和滤波电容CO的两端。
电流采样电路用于采集流过负载的电流值。第二DSP控制器2接收电流采样电路输送的信号，运行图3所述步骤后输出第二开关管S2的驱动信号。
负载由二极管VD6和传感器电池RL串联组成，接于升压电路的输出端。二极管VD6的存在能够防止传感器电池电流倒灌。
补偿电感L1、补偿电容C1、补偿电容CT、发射线圈LT满足ωL1＝1/(ωC1)＝ωLT-1/(ωCT)，接收线圈LR、补偿电容CR满足ωLR＝1/(ωCR)。其中，ω表示系统谐振频率，满足
Figure BDA0002336016420000041
如图3所示，是根据本发明实施例提供的一种传感器电池充电恒流恒压控制策略，保证上述无线充电系统能够提供稳定的输出电流与输出电压，包括以下两点内容：
(1)恒流阶段
首先通过电流采样电路检测负载充电电流IR，若IR小于传感器电池充电的恒流值IRMAX，则增大第二开关管S2的驱动信号占空比D，直至IR＝IRMAX。由于在恒流阶段电池的等效电阻一直在增大，所以需要不断地检测IR并通过增大D来保证IR＝IRMAX。在整个电池恒流充电阶段，电池两端电压不断升高，最终将进入恒压阶段。
(2)恒压阶段
由于LCC-S拓扑能够实现恒压输出，即副边补偿电路的输出电压UO为一交流恒压源，所以升压电路的输入电压Uin为一直流恒压源。在确定传感器电池充电的额定电压值URMAX后，可通过设定第二开关管S2的驱动信号占空比最大值DMAX来实现恒压充电。其中，DMAX＝(URMAX-Uin)/URMAX。在恒压阶段，负载电流IR持续减小，当负载电流IR下降到零时，充电完成。
在恒流充电阶段，升压电路输出电压持续增大，当升压电路输出电压增大到电池充电的恒压值时，由于设定了第二开关管S2的驱动信号占空比最大值DMAX，升压电路的输出电压将不再增大。此后保持占空比D不变，电池充电进入恒压阶段。在恒压阶段，需要不断地检测负载电流值来确定电池是否已充满电。
传统恒流恒压控制策略需要同时采集负载电流与负载电压，本发明提出的恒流恒压充电控制策略只需采集负载电流即可实现恒流恒压充电。在系统刚开机时，需要根据电池特性给S2的驱动信号设定一个初始占空比，以保证刚开始的充电电压与放完电的电池相匹配。

Claims (7)

1.一种基于电磁超材料的无线充电系统，用于对输电线的监测传感器充电，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端和接收端之间设有用于聚焦电磁场的电磁超材料，所述发射端包括取能电路、逆变电路和发射线圈，所述取能电路从输电线路上获得直流电压并输入至后端逆变电路，所述逆变电路为E类放大逆变电路，用于为发射线圈提供频率为兆赫兹的功率输出；所述接收端包括接收线圈、整流电路和直流变换器，所述发射线圈、电磁超材料和接收线圈以输电线为中心轴相互耦合，所述接收线圈通过聚焦电磁场接收电能，整流电路用于将交流信号转换为直流，再由直流变换器转换为满足负载要求的直流电信号。
2.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的无线充电系统，其特征在于：所述直流变换器中还包括有用于控制输出信号的第二开关管(S2)，所述接收端还包括电流采样电路和第二DSP控制器，所述电流采样电路采集负载的充电电流并输入至第二DSP控制器，由第二DSP控制器控制所述第二开关管(S2)的占空比，用于实现对监测传感器的恒流恒压充电。
3.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的无线充电系统，其特征在于：所述E类放大逆变电路包括第一开关管(S1)、谐振电感(Le)、谐振电容(Ce)、电阻(Re)和第一DSP控制器，其中所述谐振电感(Le)、电阻(Re)和谐振电容(Ce)顺次连接且并联在所述取能电路输出端，所述第一开关管(S1)的发射极和集电极分别连接谐振电容(Ce)的两端，由第一DSP控制器提供驱动信号，所述E类放大逆变电路由谐振电容(Ce)输出交流信号。
4.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的无线充电系统，其特征在于：所述整流电路采用单相桥式不控整流电路，所述整流电路还包括滤波电容(C2)，所述滤波电容(C2)并联于单相桥式不控整流电路的输出端。
5.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的无线充电系统，其特征在于：所述发射端还包括原边补偿电路所述原边补偿电路位于所述逆变电路和发射线圈之间，用于提高电能发射效率；所述接收端还包括副边补偿电路，所述副边补偿电路位于接收线圈和整流电路之间，用于提高电能接收效率。
6.一种应用在权利要求1所述的无线充电系统中的恒流恒压充电控制方法，用于对输电线监测传感器充电，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采集负载的充电电流IR，若充电电流IR小于监测传感器充电的最大充电电流值IRMAX，则控制充电电流持续增加，直至IR趋于IRMAX，以恒定电流IRMAX为监测传感器充电；
(2)当监测传感器电池两端电压达到额定电压URMAX，则以恒定电压URMAX为监测传感器充电，负载的充电电流IR持续减小，当充电电流IR下降趋于零时，充电完成。
7.根据权利要求6所述的恒流恒压充电控制方法，其特征在于，所述直流变换器中还包括有用于控制输出信号的第二开关管(S2)，所述接收端还包括电流采样电路和第二DSP控制器，所述电流采样电路采集负载的充电电流并输入至第二DSP控制器，步骤(1)中所述的控制充电电流持续增加，是由第二DSP控制器增大第二开关管(S2)的驱动信号占空比D来实现的；步骤(2)中所述的以恒定电压URMAX为监测传感器充电，是由第二DSP控制器以恒定的最大驱动信号占空比DMAX为监测传感器充电来实现的，DMAX＝(URMAX-Uin)/URMAX，其中URMAX为监测传感器充电的额定电压，Uin为直流变换器的输入电压。
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