CN111555612A - 一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，属于无线电能传输技术领域。该方法：首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck‑Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。本发明方法不需要原边和副边的信息通信，检测量仅有输入电流平均值，控制量仅有Buck转换器占空比；当线圈间距离或负载电阻变化时，根据检测输入电流最小化，就可以实现输出电压的恒定和效率的最大化，电路控制十分容易。

Description

一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟 踪方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法。

背景技术

随着开关器件在控制频率和功率技术上的提高，使得无线电能传输技术(WPT)能够飞速发展。近年来，WPT已经广泛应用于医学设备、家电、汽车等领域，成为研究的热点。

在WPT实际应用过程中，通常希望在能够追踪最大传输效率的同时能够保持输出电压恒定不变。但当两线圈间的距离和负载电阻值改变后，系统的输出电压和效率都会发生改变，特别是系统效率在距离增大时会迅速下降。

在目前已有的无限传能系统中，主要有频率跟踪，阻抗匹配，DC/DC转换器等效三种方式。而频率跟踪适合于近距离，强耦合的情况，可以实现在强耦合距离范围内可保持传输效率恒定，但约束条件很强，并且效率难以最大化。阻抗匹配虽然可以实现在距离变化实现传输最大化，但是其补偿电路复杂，控制方法也比较困难。并且这两种方法均会导致在距离或负载变化时输出电压或有较大变动。而目前所采用的DC/DC直流转换器等效的方式可以在较大的负载距离和大小范围内实现最大效率跟踪，但其均需要对多个量进行检测，以及原副边的信息通信，增大控制算法难度。

因此，目前亟需一种能同时满足输出电压的恒定和系统效率最大化的无线传能方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，不需要原边和副边的信息通信，检测量仅有输入电流平均值，控制量仅有Buck转换器占空比。当线圈间距离或负载电阻变化时，根据检测输入电流最小化，就可以实现输出电压的恒定和效率的最大化，电路控制十分容易。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，利用直流转换器来等效负载电阻使其为最优负载的思想，首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck-Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。

进一步，该跟踪方法具体包括：

1)对于每一距离线圈间距离D，均存在一最优负载电阻使得系统效率最大；当线圈间距离或负载大小变化导致实际负载电阻不是最优负载时，可以利用调节Buck-Boost直流转换器的占空比Duty₂将某一固定负载电阻R_L等效为最优负载电阻R_L-eq；

2)在确定最优Duty₂时，通过调节Buck直流转换器占空比Duty₁，使输出电压为所设定恒定值。

进一步，所述Buck-Boost直流转换器的占空比Duty₂为：

其中，R_L-eq表示最优负载电阻，R_L表示系统的负载电阻。

进一步，所述Buck直流转换器的占空比Duty₁为：

其中，V_in、V_in-eq分别为Buck直流转换器的输入、输出电压。

进一步，所述最优负载电阻R_L-eq为：

R_L-eq＝π²R_L-ηmax/8

其中，R_L-ηmax表示传输效率η最大时的负载电阻。

进一步，由于系统中直流转换器(Buck,Buck-Boost)，逆变器，整流器的损耗均很小，故可以忽略掉。此时系统的传输效率η为：

其中，V_in为系统输入电压，V_O为系统输出电压，I_av为输入电源侧的平均电流，I_in为电源侧电流；

I_av＝I_inDuty₁

由于V_O，R_L，V_in均为定值，当Buck直流转换器的占空比Duty₁使电源侧平均电流I_av为最小时，即为系统传输效率最大。

进一步，为了能够自动调节输出电压恒定，该跟踪方法还包括：利用PID算法来控制Buck-Boost直流转换器，使其能够始终输出设定电压值；PID算法根据设定电压与实际电压的误差error调节Duty₂以达到保持输出电压为设定值。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明能够实现对应于线圈间距离变化或负载电阻变化时对传输效率最大值的跟踪以及对输出电压的恒定；

(2)本发明所需检测变量仅有输入电流，控制变量仅有Buck转换器的控制信号的占空比，并且不需要原边与副边的通信，控制十分简单易行。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为磁耦合谐振无线传能等效模型；

图2为不同负载下传输效率随距离变化仿真图；

图3为Buck-Boost转换器的电路结构图；

图4为Buck-Boost转换器的等效电阻图；

图5为Buck转换器的电路结构图；

图6为输出电压与占空比Duty₁、Duty₂的关系图；

图7为本发明所述的最大效率跟踪方法实现电路图；

图8为最大效率跟踪基本流程图；

图9为输出电压、效率与占空比Duty₂的关系图；

图10为PID控制结构图；

图11为效率随Duty₁变化曲线图；

图12为最优Duty₁跟踪流程图；

图13为效率随传输距离变化曲线图；

图14为输出电压随负载电阻变化曲线图；

图15为效率随传输距离变化曲线图；

图16为输出电压随传输距离变化曲线图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图16，为种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck-Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。具体分析如下：

1)磁耦合谐振式无线电能传输最大效率，恒定电压输出分析

基于SS拓扑结构的磁耦合谐振无线电能传输的集中参数等效电路模型如图1所示，系统输入电压等效为理想的正弦电压源U，R_L表示系统的负载电阻，L₁，L₂分别为发射线圈和接收线圈的自感，M为两线圈的互感，R₁，R₂分别为发射线圈和接收线圈等效损耗电阻，C₁，C₂分别为发射线圈和接收线圈外接串联调谐电容，I₁，I₂分别为原边和副边的电流。

根据电路理论，可列出等效电路KVL方程组：

式中ω是谐振角频率，X₁，X₂分别是原副边谐振网络的电抗，满足：

通过解方程组(1)可以得到回路电流

输出电压

由此可以得出系统的输入功率为：

系统的输出功率为：

系统传输效率：

利用输出效率对X₂的微分：

在仅考虑效率与电抗X₂，可得到当效率η最大时，则

X₂＝0 (10)

在此基础上，考虑输出功率对电抗X₁的偏微分：

可得

X₁＝0 (12)

综合考虑功率、频率，使系统满足(10)、(12)，式(10)、(12)又可表示为

在实际系统中，通常满足L₁＝L₂＝L，C₁＝C₂＝C，为使系统处于串联谐振状态，即满足式(13),此时的系统频率f即为谐振频率：

其中ω＝2πf。

此时，式(8)可以简化为：

利用效率η对负载电阻R_L求微分，并令其等于零，即

可以分别得到当η最大时的负载电阻R_L-ηmax：

根据上式可知，对于每一个线圈距离(对应于公式(17)中的M)都有一最优负载使得系统效率最大。图2中带圆点曲线表示在每一距离下均为最优负载时的曲线，其余曲线则表示在固定负载下效率随距离变化的曲线。

在系统处于谐振状态，即满足式(10),(12)时，系统的输出电压可表示为：

根据上式可以得到输出电压会随线圈间距离(表示上式中的互感M)以及负载电阻R_L的变化而变化。为了保证输出电压的恒定，可以通过改变电源电压U的大小来使输出电压大小保持恒定。

2)基于恒定电压输出的最大效率点跟踪方法

两线圈间的互感M随着两线圈间的距离D的增大而减小，对于一个参数确定的电能传输系统，对于每一距离，即有一个互感与之对应。于是，根据式(17)，当两线圈的间的距离改变后，系统的最优负载也将改变。

本发明在负载侧采用了电路结构简单且转换范围广的Buck-Boost转换器，其电路结构如图3所示，根据式(17)以及图4，有：

可以计算得到：

于是，为使系统效率最大，在距离D或实际负载电阻变化时，根据式(23)～(25)，最优的等效电阻R_L-eq以及Duty₂随之改变，会导致式(22)中R_L改变(距离D变化时互感M也会改变)。故为了保证输出电压的恒定，需要调节输入电压U的大小。在本文中，采用Buck直流转换器对电源电压进行调节，图5所示为Buck直流转换器的电路结构图，其输入输出电压关系如下：

V_in-eq＝Duty₁·V_in (22)

故通过调节Duty₁可以实现对等效输入电压V_in-eq的调节，从而实现输出电压的稳定，即：

V_O＝constant (23)

根据前面的论述，整个系统方法总结为：

(1)对于每一距离线圈间距离D，均存在一最优负载电阻使得系统效率最大。当线圈间距离或负载大小变化导致实际负载电阻不是最优负载时，可以利用调节Buck-Boost转换器的占空比Duty₂将某一固定负载R_L等效为R_L-eq(R_L-eq＝π²R_L-ηmax/8)；

(2)在确定最优Duty₂时，通过调节Buck转换器占空比Duty₁，使输出电压为所设定恒定值。

图6展示了输出电压与Duty₁，Duty₂的关系的三维曲面图。其中的黑色曲线表示在使输出电压V_O为设定值Duty₁与Duty₂的组合，当中的黑点则表示使系统效率最大且输出电压为设定值的Duty₁与Duty₂的组合，即为所需寻找的最优点。

整个系统的电路结构如图7所示。由于系统中直流转换器(Buck,Buck-Boost)，逆变器，整流器的损耗均很小，故可以忽略掉。此时系统的效率可以表示为：

I_av为输入电源侧的平均电流，由于Buck转换器的引入，电源侧电流I_in为方波，于是：

I_av＝I_inDuty₁ (25)

根据式(27)，V_O，R_L，V_in均为定值，故当Buck转换器的占空比Duty₁使电源侧平均电流I_av为最小时，即为系统传输效率最大。最大效率跟踪的基本流程方法如图8所示。

3)基于恒定电压输出的最大效率跟踪方法的自动控制实现

(1)PID自动控制输出电压恒定

为了能够自动调节输出电压恒定，利用PID来控制Buck-Boost，使其能够始终输出设定电压值。PID算法根据设定电压与实际电压的误差error调节Duty₂以达到保持输出电压为设定值。图9展示了输出电压，效率随占空比Duty₂变换的曲线。从图中可以看出在灰色竖向虚线左侧与右侧都可以实现电压从一个较小值到最大值的变化，即存在一个较大和一个较小的Duty₂满足设定电压(图中横向虚线与实线交点即为满足输出为20V的Duty₂)。而根据式(20)，当Duty₂较小时，此时的等效电阻极大，其效率很小，并会导致V_O-eq很大，故在搜索最优Duty₂时，需要限制Duty₂范围在图9中灰色竖向虚线右侧。在本发明中将采用对PID输出取反的方法，使PID调节占空比时能够找到最优的点，使系统效率最大。图10展示了PID控制的基本结构图。

(2)Buck转换器自动控制

图11展示了在输出电压恒定不变时，系统效率随占空比Duty₁的关系。可以看出存在某一最优Duty_1-opt使得系统效率最高。当Duty₁＜Duty_1-opt时，传输效率随Duty₁的增大而增大；当Duty₁＞Duty_1-opt时，传输效率随Duty₁的增大而减小。

因此，根据流程图12，本文在Buck转换器最优Duty₁点(即最大效率点)追踪时将采用图12所示的算法流程，主要通过在给定初值条件下，比较两个相邻Duty₁时平均电流大小，确定搜索最优点方向(图11中箭头方向)，并自动沿该方向，根据最小平均电流的寻找到效率最大点(即图中的黑色点)。

5)验证负载变化

当负载变化时，传输效率，输出电压曲线分别如图13和图14所示。图中黑色曲线表示无任何调节情况下的效率和输出电压曲线，灰色曲线表示加入本发明所述方法后的效率和输出电压曲线。可以明显看出在当负载变化时，传输效率可以保持在距离下的最大值，而输出电压能保持恒定。

3)验证距离变化

当传输距离变化时，传输效率，输出电压曲线分别如图15，16所示。图中黑色曲线表示无任何调节情况下的效率和输出电压曲线，灰色曲线表示加入本专利所提出的方法后的效率和输出电压曲线。可以明显看出在当传输距离变化时，传输效率可以实时跟踪每一距离下的最大值，而输出电压能保持恒定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck-Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。

2.根据权利要求1所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，该跟踪方法具体包括：

1)对于每一距离线圈间距离D，均存在一最优负载电阻使得系统效率最大；当线圈间距离或负载大小变化导致实际负载电阻不是最优负载时，利用调节Buck-Boost直流转换器的占空比Duty₂将某一固定负载电阻R_L等效为最优负载电阻R_L-eq；

2)在确定最优Duty₂时，通过调节Buck直流转换器占空比Duty₁，使输出电压为所设定恒定值。

3.根据权利要求2所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，所述Buck-Boost直流转换器的占空比Duty₂为：

其中，R_L-eq表示最优负载电阻，R_L表示系统的负载电阻。

4.根据权利要求2所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，所述Buck直流转换器的占空比Duty₁为：

其中，V_in、V_in-eq分别为Buck直流转换器的输入、输出电压。

5.根据权利要求2所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，所述最优负载电阻R_L-eq为：

R_L-eq＝π²R_L-ηmax/8

其中，R_L-ηmax表示传输效率η最大时的负载电阻。

6.根据权利要求5所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，系统的传输效率η为：

其中，V_in为系统输入电压，V_O为系统输出电压，I_av为输入电源侧的平均电流，I_in为电源侧电流；

I_av＝I_inDuty₁

由于V_O，R_L，V_in均为定值，当Buck直流转换器的占空比Duty₁使电源侧平均电流I_av为最小时，即为系统传输效率最大。

7.根据权利要求2所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，该跟踪方法还包括：利用PID算法来控制Buck-Boost直流转换器，使其能够始终输出设定电压值；PID算法根据设定电压与实际电压的误差error调节Duty₂以达到保持输出电压为设定值。

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