CN111082540A - 一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法，属于无线传能系统技术领域，解决了现有技术中的无线电能传输系统传输效率低、成本高的问题，本发明的传输系统包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。本发明传输效率高、控制简单、无需通信、成本低。

Description

一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法

技术领域

本发明属于无线传能系统技术领域，具体涉及一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法。

背景技术

无线传能系统的效率优化问题是当前研究的热点之一。但对于宽输出功率变化范围的无线传能系统，难以在满足功率需求的同时实现系统的效率优化。目前针对宽输出功率变化范围的无线传能系统，主要采用的效率优化方法包括：1)DC/DC变换器；2)移相控制；3)系统参数优化。

1)DC/DC变换器：在系统输出功率不同时，存在一个最优负载值使得系统效率最高，因此可利用DC/DC变换器实现系统等效负载变换，从而最大化系统效率。但此方法的问题在于会额外引入DC/DC变换器的损耗。

2)移相控制：通过PSM/PDM等技术控制有源整流器的移相角，从而实现等效负载变换和效率优化。但此方法的问题在于软开关在PSM下难以实现，且当输出功率远低于额定输出功率时，PDM会造成系统输出扰动。

3)系统参数优化：通过改变系统的工作频率、补偿电容、互感等参数实现效率优化。但此类方法的问题在于建模计算困难，控制复杂。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有技术中的无线电能传输系统传输效率低、成本高的问题，提供一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。

进一步地，所述发射端谐振网络与发射线圈之间安装有电压测量器和电流测量器。

进一步地，所述发射端谐振网络包括LCL网络补偿线圈和LCL网络补偿电容，接收端谐振网络包括接收线圈谐振补偿电容。

一种多抽头无线电能传输系统效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初步分段：为保证在宽输出功率变化范围内，系统能保持较高效率，根据系统输出功率P_L的范围划分为多个功率段P_L1～P_L2，P_L2～P_L3……P_LN-1～P_LN，计算P_L1，P_L2……P_LN对应的最优发射线圈匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN，在最优匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN处对发射线圈进行分段，并在分段处引出抽头并与控制开关相连；

(2)确认开关状态和系统参数：测量发射端电压U_P和发射端电流I_P，获取系统中各控制开关的状态信息，闭合开关记为S_Plast，并确定当前接入系统的发射线圈内阻之和R_Psum、接收线圈内阻之和R_Ssum、当前接入系统发射线圈与接收线圈之间的互感之和M_sum这三项系统参数信息；

(3)计算系统输出功率P_L：根据步骤(2)中确定的系统参数值，由

计算得到系统输出功率P_L，其中ω：系统工作角频率；

(4)确定最优匝数n_{iopt_now}：根据步骤(3)中计算得到的P_L，确定其所处的步骤(1)中划分的功率段P_LA～P_LB，将与P_LA、P_LB对应的发射线圈最优匝数n_ioptA、n_ioptB分别代入系统效率表达式进行计算，取效率较高者作为当前功率的最优匝数n_{iopt_now}；

(5)调整控制开关：闭合n_{iopt_now}所对应的的控制开关S_Pnow，并断开步骤(2)中的闭合开关S_Plast，若最优匝数n_{iopt_now}对应的闭合开关位置与步骤(2)中的闭合开关位置相同，则保持该状态。

进一步地，步骤(1)中计算P_L1，P_L2……P_LN对应的发射线圈最优匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN的方法如下：

根据系统效率表达式

式中：

R_Psum＝a×n_i

R_Ssum＝a×n_j

M_sum＝b×n_i×n_j

其中，a为线圈内阻计算系数，b为互感计算系数，a、b均为定值且可通过测量各分段R_Psum，R_Ssum，M_sum的值，并通过线性拟合方法获得；n_i为发射线圈匝数，n_j为接收线圈匝数，n_i随分段开关闭合位置不同为非定值，n_j为定值；I_P为由LCL网络提供的恒流电流；将负载电阻R_L替换为关于负载功率P_L的表达式；将R_Psum，R_Ssum，M_sum，R_L代入系统效率表达式中可得：对于某一固定负载功率P_L可由该式计算得到系统效率η，且存在一最优发射线圈匝数n_iopt，使得系统效率η最高，该最优发射线圈匝数n_iopt由求解微分方程获得：

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明相比于现有宽输出功率变化范围无线传能系统的效率优化方法，无需引入额外的功率变换设备，减少了器件损耗，提高了传输的效率。

2、本发明从系统模型出发实现相关控制算法，控制简单，且无需与接收端进行通信，节省了无线通信设备。

3、本发明的系统在切换抽头优化系统效率的同时，系统中的电流得到合理分配，从而减小了磁场泄漏。

4、本发明的系统和方法节省了额外的功率变换设备和无线通信设备。

附图说明

图1为本发明的多抽头无线电能传输系统的系统结构图。

图中标记：

U_DC：直流输入电压；

U_PT：逆变器输出电压；

I_PT：逆变器输出电流；

U_P：发射端端电压；

I_P：发射端电流；

I_S：接收端电流；

P_L：系统输出功率；

ω：系统工作角频率；

N：发射线圈段数；

L_PT：LCL网络补偿电感；

C_PT：LCL网络补偿电容；

L_P1，L_P2……L_PN：发射线圈第1，2……N段的寄生电感；

C_P1，C_P2……C_PN：发射线圈第1，2……N段的谐振补偿电容；

R_Psum：当前接入系统的发射线圈内阻之和；

S_P1，S_P2……S_PN：控制发射线圈第1，2……N段是否接入系统的开关；

M_Pi,j：发射线圈第i段与第j段之间的互感(1≤i,j≤N)；

L_S1：接收线圈寄生电感；

C_S1：接收线圈谐振补偿电容；

R_Ssum：接收线圈内阻之和；

M_i,1：发射线圈第i段与接受线圈之间的互感(1≤i≤N)；

M_sum：当前接入系统发射线圈与接收线圈之间的互感之和；

R_L：负载电阻。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的系统效率优化方法设计与控制过程如下：

(1)确定发射线圈抽头位置步骤：

①为保证宽输出功率变化范围内，系统能保持较高效率，根据P_L的范围划分为多个功率段(P_L1～P_L2，P_L2～P_L3……P_LN-1～P_LN)；

②计算P_L1，P_L2……P_LN对应的最优发射线圈匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN；

③在最优匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN处对发射线圈进行分段，引出抽头并与控制开关相连。

(2)开关控制步骤：

①测量U_P，I_P；

②获取开关状态信息，闭合开关记为S_Plast，并确定R_Psum，R_Ssum，M_sum等系统参数信息；

③计算系统输出功率P_L；

④由P_L的计算结果确定其所处功率段P_LA～P_LB，将与P_LA、P_LB对应的发射线圈最优匝数n_ioptA、n_ioptB分别代入效率表达式进行计算，取效率较高者作为当前功率的最优匝数n_{iopt_now}；

⑤闭合n_{iopt_now}所对应的的控制开关S_Pnow，并断开先前闭合开关S_Plast，若闭合开关位置不变，则不动作。

本发明的系统相关参数配置如下：

(1)ω＝2πf

式中，f为系统工作频率

(2)

式中，C_Pj(1≤j≤N)为第j段发射线圈的谐振补偿电容，L_Pj(1≤j≤N)为第j段发射线圈的寄生电感，M_Pi,j(1≤j≤N)为发射线圈第i段与第j段之间的互感

(3)

本发明的工作原理如下：

高频逆变器将直流输入电压U_DC变换为高频交流电，并为其后的谐振网络供电。其中，LCL补偿网络的作用在于将恒压源转换为恒流源对系统进行供电，且可避免在无接收端时的系统短路。高频交流电通过发射线圈，在发射线圈周围产生高频交变磁场。其中，发射线圈各段开关的闭合与否根据当前系统的输出功率进行实时控制。接收线圈在高频交变磁场中感应产生高频交流电压，经过接收端谐振补偿网络与高频整流后输出直流电压，对负载进行供电。

本发明的开关控制：开关S_Pj(1≤j≤N)闭合，其余开关均需断开，此时发射线圈L_Pi(1≤i≤j)接入系统，L_Pi(j<i≤N)未接入系统。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。

2.根据权利要求1所述的一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端谐振网络与发射线圈之间安装有电压测量器和电流测量器。

3.根据权利要求1所述的一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端谐振网络包括LCL网络补偿线圈和LCL网络补偿电容，接收端谐振网络包括接收线圈谐振补偿电容。

4.一种多抽头无线电能传输系统效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初步分段：为保证在宽输出功率变化范围内，系统能保持较高效率，根据系统输出功率P_L的范围划分为多个功率段P_L1～P_L2，P_L2～P_L3……P_LN-1～P_LN，计算P_L1，P_L2……P_LN对应的最优发射线圈匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN，在最优匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN处对发射线圈进行分段，并在分段处引出抽头并与控制开关相连；

(2)确认开关状态和系统参数：测量发射端电压U_P和发射端电流I_P，获取系统中各控制开关的状态信息，闭合开关记为S_Plast，并确定当前接入系统的发射线圈内阻之和R_Psum、接收线圈内阻之和R_Ssum、当前接入系统发射线圈与接收线圈之间的互感之和M_sum这三项系统参数信息；

(3)计算系统输出功率P_L：根据步骤(2)中确定的系统参数值，由

计算得到系统输出功率P_L，其中ω：系统工作角频率；

(4)确定最优匝数n_{iopt_now}：根据步骤(3)中计算得到的P_L，确定其所处的步骤(1)中划分的功率段P_LA～P_LB，将与P_LA、P_LB对应的发射线圈最优匝数n_ioptA、n_ioptB分别代入系统效率表达式进行计算，取效率较高者作为当前功率的最优匝数n_{iopt_now}；

(5)调整控制开关：闭合n_{iopt_now}所对应的的控制开关S_Pnow，并断开步骤(2)中的闭合开关S_Plast，若最优匝数n_{iopt_now}对应的闭合开关位置与步骤(2)中的闭合开关位置相同，则保持该状态。

5.根据权利要求4所述的一种多抽头无线电能传输系统效率优化方法，其特征在于，步骤(1)中计算P_L1，P_L2……P_LN对应的发射线圈最优匝数n_iopt1，n_iopt2……n_ioptN的方法如下：

根据系统效率表达式

式中：

R_Psum＝a×n_i

R_Ssum＝a×n_j

M_sum＝b×n_i×n_j

其中，a为线圈内阻计算系数，b为互感计算系数，a、b均为定值且可通过测量各分段R_Psum，R_Ssum，M_sum的值，并通过线性拟合方法获得；n_i为发射线圈匝数，n_j为接收线圈匝数，n_i随分段开关闭合位置不同为非定值，n_j为定值；I_P为由LCL网络提供的恒流电流；将负载电阻R_L替换为关于负载功率P_L的表达式；将R_Psum，R_Ssum，M_sum，R_L代入系统效率表达式中可得：对于某一固定负载功率P_L可由该式计算得到系统效率η，且存在一最优发射线圈匝数n_iopt，使得系统效率η最高，该最优发射线圈匝数n_iopt由求解微分方程获得：

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