CN112448486A - 基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法 - Google Patents

基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法，包括直流电源、高频逆变器、发射线圈模块、中继线圈及电容可调器模块、接收线圈模块、整流滤波模块及系统负载。本发明在系统正常传输电能时，根据系统负载的变化，以系统的能量传输效率最优为目标，调节第一补偿电容CR，优化系统的能量传输效率，解决因系统负载变化导致的三线圈系统能量传输效率降低的问题，并且无需在能量接收端增加额外的电路，无需改变系统的工作频率，其步骤简单，对系统的能量传输效率提升效果显著。

Description

基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于中继线圈补偿电容切换的三线圈无线电能传输系统及方法，属于无线电能传输领域。
背景技术
无线电能传输技术，又称非接触电能传输技术，是指借助于空间介质(例如电场、磁场、微波、辐射等)将电能从电源端传输到用电设备的一种供电技术。相比于传统的充电方式，无线电能传输技术具有安全性、可靠性、灵活性等优点，尤其适用于煤炭、水下等电气环境恶劣的场合。此外，无线电能传输技术在电动汽车和消费类电子产品领域发展迅速，可以满足快速性和安全性的充电要求，具有极大的应用前景。
在相同的能量传输距离下，相比于传统的两线圈无线电能传输系统，三线圈无线电能传输系统的发射线圈回路电流较小，可以减小高频逆变器的损耗，在接收线圈发生横向偏移时，三线圈无线电能传输系统可有效减缓系统能量传输效率的降低程度，并且在负载切出时有效减小功率损耗。
假设三线圈无线电能传输发射线圈与接受线圈距离较近，它们之间的互感不可忽略不计，即使系统的工作频率等于三个线圈的固有谐振频率，系统的输入阻抗依旧存在虚部，会导致三线圈无线电能传输系统的能量传输效率降低。
此外，无线电能传输系统的主要负载为电池，在充电过程中电池的等效电阻值是不断变化的，在系统参数保持不变的情况下，因三线圈无线电能传输系统的效率最优负载值固定，系统负载发生变化，势必会对系统的能量传输效率产生影响，造成系统能量传输效率的降低。
发明内容
发明目的：为了解决因系统负载变化而导致的系统能量传输效率降低的问题，本发明提供一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统及方法，本发明可以在系统工作频率保持固定时，根据系统负载的阻值实时调整中继线圈补偿电容CR的容值，提升三线圈无线电能传输系统的能量传输效率，实现步骤简单，无需复杂的硬件电路，并且对三线圈无线电能传输系统的能量传输效率提升效果显著。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，包括直流电源、高频逆变器、发射线圈模块、中继线圈模块、接收线圈模块、整流滤波模块、系统负载、信号采集及发送模块、信号接收及处理模块，其中：
直流电源与高频逆变器的输入端相连接，高频逆变器的输出端与发射线圈模块的输入端相连，发射线圈模块的输出端与中继线圈模块的输入端相对设置，中继线圈模块的输出端与接收线圈模块的输入端相对设置，接收线圈模块的输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与系统负载相连，信号采集及发射模块用于采集系统负载的瞬时电压和瞬时电流，将其处理并发送给信号接收及处理模块。所述中继线圈模块包括中继线圈和第一补偿电容CR，所述第一补偿电容CR为可调电容器，中继线圈与第一补偿电容CR串联，组成单独回路。信号接收及处理模块将信号处理得到系统负载的阻值，同时得到系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容，通过可调电容器调节第一补偿电容CR到达系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容使系统传输效率最优化。
优选的：搭建三线圈无线电能传输系统的等效电路，根据等效电路得到系统能量传输效率η3与第一补偿电容CR的关系式：
Figure BDA0002783207360000021
Figure BDA0002783207360000022
Figure BDA0002783207360000023
式中，x1、x2、x3表示中间变量，RLe为系统的等效负载，RR和X分别为中继线圈回路阻抗的实部和虚部，RT为发射线圈回路的阻抗，RS为接收线圈回路的阻抗，ωd为系统的驱动角频率，MTR为发射线圈LT和中继线圈LR之间的互感，MTS为发射线圈LT和接收线圈LS之间的互感，MRS为中继线圈LR和接收线圈LS之间的互感。
优选的：发射线圈模块包括相互串联的发射线圈LT和第二补偿电容CT，发射线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure BDA0002783207360000024
其中，ωT表示发射线圈模块的固有谐振频率，LT表示发射线圈自感值，CT表示第二补偿电容。
优选的：中继线圈模块包括相互串联的中继线圈LR和第一补偿电容CR，其中第一补偿电容CR为可调电容器，并且中继线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure BDA0002783207360000025
其中，ωR表示中继线圈模块的固有谐振频率，LR表示中继线圈自感值，CR表示第一补偿电容。
优选的：接收线圈模块包括相互串联的接收线圈LS和第三补偿电容CS，并且接收线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure BDA0002783207360000031
其中，ωS表示接收线圈模块的固有谐振频率，LS表示接收线圈自感值，CS表示第三补偿电容。
所述整流滤波模块包括单相不可控整流电路和滤波电容Cfilter，单相不可控整流电路与滤波电容Cfilter并联。
优选的：所述系统的等效负载RLe和系统负载RLa满足公式：
Figure BDA0002783207360000032
其中，RLe表示等效负载的阻值，RLa表示系统负载的阻值。
优选的：信号采集及发送模块包括依次连接的电压电流检测电路、DSP1和信号发射装置。信号接收及处理模块包括依次连接的信号接收装置和DSP2，DSP2用于实时处理信号采集及发射模块所采集的电压电流信号，得到系统负载的阻值，计算得到实现系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容，发送信号给可调电容器，使第一补偿电容CR，调整到系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容。
优选的：所述高频逆变器采用单相全桥逆变电路，高频逆变器的输出频率固定不变，输出电压为方波，输出电压满足公式：
Figure BDA0002783207360000033
其中，Uab表示高频逆变器的输出电压，VDC表示直流电源的电压。
优选的：系统的驱动角频率ωd、发射线圈模块的固有谐振频率ωT、接收线圈模块的固有谐振频率ωS满足公式：ωd＝ωT＝ωS。
一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输方法，包括以下步骤：
步骤1，设定系统负载的初始参考值。
步骤2，系统正常工作时，信号采集及发送模块中的电压电流检测电路检测到系统负载的瞬时电压和瞬时电流，DSP1将采集到的电压电流信号处理，得到系统负载的检测值。
步骤3，DSP1将此次检测得到的检测值与系的参考值进行比较。
步骤4，若检测值等于参考值，则进行步骤2。若检测值不等于参考值，信号采集及发送模块将系统负载阻值信息通过信号发射装置RF1发送给信号接收装置RF2，DSP2得到系统负载的阻值，并且将步骤2中的检测值设定为系统负载的参考值。
步骤5，将系统负载的阻值根据公式
Figure BDA0002783207360000034
转换成等效负载的阻值，将其代入公式(1)，公式(1)中除系统能量传输效率η3和中继线圈回路阻抗的虚部X为未知数，其余均为给定的系统参数，对X进行求导，得到
Figure BDA0002783207360000041
的点，选取结果中X的最小值。
步骤6，根据公式(3)中X与CR的关系以及给定的系统的驱动角频率ωd和中继线圈LR，求解系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容。
步骤7，由DSP2向第一补偿电容CR发送信息，调节第一补偿电容CR的容值变成步骤6中求解的系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明采用本发明设计的基于中继线圈补偿电容切换的三线圈无线电能传输系统可以使三线圈无线电能传输系统在系统负载发生改变时，通过调节第一补偿电容CR的值使系统能量传输效率尽可能更高，可以纠正高频逆变器的输出电流，使高频逆变器的损耗降低，进一步提高三线圈无线电能传输系统的能量传输效率，并且本发明的实施步骤简单，无需复杂的硬件电路，对三线圈无线电能传输系统的能量传输效率提升效果显著。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图。
图2为本发明中第一补偿电容CR的容值设计流程图。
图3为本发明中第一补偿电容CR的容值随系统负载变化曲线图。
图4为本发明系统能量传输效率优化前后的对比图(数值计算值)。
图5为本发明系统能量传输效率优化前后的对比图(仿真实验值)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，如图1、2所示，它包括直流电源1、高频逆变器2、发射线圈模块3、中继线圈模块4、接收线圈模块5、整流滤波模块6、系统负载7、信号采集及发送模块8、信号接收及处理模块9，其中：
直流电源1与高频逆变器2的输入端相连接，高频逆变器2的输出端与发射线圈模块3的输入端相连，中继线圈与其补偿电容CR串联，组成单独回路，接收线圈模块5与整流滤波模块6的输入端相连，整流滤波模块6的输出端与系统负载7相连，信号采集及发射模块8用于采集系统负载7的瞬时电压和瞬时电流，将其处理并发送给信号接收及处理模块9，信号接收及处理模块9将信号处理得到系统负载的阻值，通过公式计算系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容，调节可调电容器CR使系统传输效率最优化。
搭建三线圈无线电能传输系统的等效电路，根据等效电路得到系统能量传输效率η3与第一补偿电容(中继线圈补偿电容)CR的关系式：
Figure BDA0002783207360000051
Figure BDA0002783207360000052
Figure BDA0002783207360000053
式中，ωd为系统的驱动角频率，MTR为发射线圈LT和中继线圈LR之间的互感，MTS为发射线圈LT和接收线圈LS之间的互感，MRS为中继线圈LR和接收线圈LS之间的互感，RT为发射线圈回路的阻抗，RS为接收线圈回路的阻抗，RR和X分别为中继线圈回路阻抗的实部和虚部，RLe为系统的等效负载。
所述高频逆变器2采用单相全桥逆变电路，在本发明的实施过程中，高频逆变器2的输出频率固定不变，输出电压为方波，输出电压满足公式：
Figure BDA0002783207360000054
Uab表示高频逆变器的输出电压，VDC表示直流电源的电压。
所述发射线圈模块3包括相互串联的发射线圈LT和第二补偿电容(发射线圈补偿电容)CT，发射线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure BDA0002783207360000055
其中，ωT表示发射线圈模块的固有谐振频率，LT表示发射线圈自感值，CT表示第二补偿电容。
所述中继线圈模块4包括相互串联的中继线圈LR和第一补偿电容(中继线圈补偿电容)CR，其中第一补偿电容CR为可调电容器，并且中继线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure BDA0002783207360000056
ωR表示中继线圈模块的固有谐振频率，LR表示中继线圈自感值，CR表示第一补偿电容。
所述接收线圈模块5包括相互串联的接收线圈线圈LS和第三补偿电容(接收线圈补偿电容)CS，并且接收线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure BDA0002783207360000057
ωS表示接收线圈模块的固有谐振频率，LS表示接收线圈自感值，CS表示第三补偿电容。整流滤波模块6包括单相不可控整流电路和滤波电容，单相不可控整流电路与滤波电容并联。
所述系统的等效负载RLe和系统负载RLa满足公式：
Figure BDA0002783207360000061
其中，RLe表示等效负载的阻值，RLa表示系统负载的阻值。
所述信号采集及发送模块8包括电压电流检测电路、DSP1和信号发射装置，信号接收及处理模块9包括信号接收装置和DSP2，DSP2用于实时处理信号采集及发射模块8所采集的电压电流信号，得到系统负载的阻值，计算得到实现系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容，发送信号给可调电容器，使第一补偿电容CR调整到系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容，如图3所示，本发明中第一补偿电容CR的容值随系统负载变化曲线图。
在设计系统参数时，应满足：ωd＝ωT＝ωS。
一种基于中继线圈补偿电容切换的三线圈无线电能传输系统，其步骤如下：
步骤1，设定系统负载7的初始参考值。
步骤2，系统正常工作时，信号采集及发送模块8中的电压电流检测电路检测到系统负载7的瞬时电压和瞬时电流，DSP1将采集到的电压电流信号处理，得到系统负载7的检测值。
步骤3，DSP1将此次检测计算的系统负载7(检测值)与系统负载7的参考值进行比较。
步骤4，若检测值等于参考值，则进行步骤2。若检测值不等于参考值，信号采集及发送模块将系统负载阻值信息通过信号发射装置RF1发送给信号接收装置RF2，DSP2得到系统负载7的阻值，并且将步骤2中的检测值设定为系统负载7的参考值。
步骤5，将系统负载的阻值根据公式
Figure BDA0002783207360000062
转换成等效负载的阻值，将其代入公式(1)，公式(1)中除系统能量传输效率η3和中继线圈回路阻抗的虚部X为未知数，其余均为给定的系统参数，对X进行求导，得到
Figure BDA0002783207360000063
的点，选取结果中X的最小值。
步骤6，根据公式(3)中X与CR的关系以及给定的系统参数ωd、LR，求解CR的值，作为系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容。
步骤7，由DSP2向第一补偿电容CR发送信息，调节第一补偿电容CR的容值变成步骤6中求解的CR。
以下是本发明的一个具体实例。
如图1所示的三线圈无线电能传输系统结构示意图，系统的直流输入电压为50V，系统的工作频率为200kHz，发射线圈LT、中继线圈LR、接收线圈LS均采用利兹线绕制而成，电感值均为14μH，发射线圈与中继线圈之间的互感系数MTR为8.887μH，发射线圈与接收线圈之间的互感系数MTS为2.766μH，中继线圈与接收线圈之间的耦合系数MRS为3.964μH，三个线圈的谐振电容CT、CR、CS均为45.23nF，其中CR为可变电阻器，其初始值设定为45.23nF，在高频情况下，发射线圈回路的电阻RT为0.6Ω，中继线圈回路的电阻RR为0.1Ω，接收线圈回路的电阻RS＝RS1+RLe，其中RS1为接收回路在高频情况下的欧姆损耗与辐射损耗电阻之和，为0.1Ω。在本实施例中，假设系统负载RLa为10Ω。
一种基于中继线圈补偿电容切换的三线圈无线电能传输方法，其步骤如下：
a.设定系统负载的初始参考值为100Ω。
b.系统正常工作时，信号采集及发送模块中的电压电流检测电路检测到系统负载的瞬时电压和瞬时电流，DSP1将采集到的电压电流信号处理，得到系统负载的检测值为10Ω。
c.DSP1将此次检测计算的系统负载(10Ω)与系统负载的参考值(100Ω)进行比较。
d.由于检测计算的系统负载(10Ω)与系统负载的参考值(100Ω)不相等，信号采集及发送模块将系统负载阻值信息(10Ω)通过信号发射装置RF1发送给信号接收装置RF2，DSP2得到系统负载的阻值(10Ω)，并且将步骤b中的检测值(10Ω)设定为系统负载的参考值。
e.将系统负载的阻值(10Ω)根据公式
Figure BDA0002783207360000071
转换成等效负载的阻值RLe≈8.1Ω，将其代入公式(1)，公式(1)中除系统能量传输效率η3和中继线圈回路阻抗的虚部X为未知数，其余均为给定的系统参数，对X进行求导，得到
Figure BDA0002783207360000072
的点，此时，
Figure BDA0002783207360000073
选取结果中X的最小值，所以X＝-1.9546。
f.根据公式(3)中X与CR的关系以及给定的系统参数ωd、LR，求解CR的值，CR＝40.71nF。
g.由DSP2向第一补偿电容CR发送信息，调节第一补偿电容CR的容值，使其等于40.71nF。
如图4、5所示，优化前是指三线圈无线电能传输系统工作在ωd＝ωT＝ωR＝ωS的状态，优化后是指通过调节第一补偿电容CR使三线圈无线电能传输系统工作在ωd＝ωT＝ωS≠ωR的状态，随系统负载RLa阻值的减小，优化后三线圈系统的能量传输效率提升效果更加明显，在系统负载RLa较小时，优化后三线圈系统的能量传输效率可提升约8％。
本发明在系统正常传输电能时，根据系统负载的变化，以系统的能量传输效率最优为目标，调节第一补偿电容CR，优化系统的能量传输效率，解决因系统负载变化导致的三线圈系统能量传输效率降低的问题，并且无需在能量接收端增加额外的电路，无需改变系统的工作频率，其步骤简单，对系统的能量传输效率提升效果明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：包括直流电源(1)、高频逆变器(2)、发射线圈模块(3)、中继线圈模块(4)、接收线圈模块(5)、整流滤波模块(6)、系统负载(7)、信号采集及发送模块(8)、信号接收及处理模块(9)，其中：
直流电源(1)与高频逆变器(2)的输入端相连接，高频逆变器(2)的输出端与发射线圈模块(3)的输入端相连，发射线圈模块(3)的输出端与中继线圈模块(4)的输入端相对设置，中继线圈模块(4)的输出端与接收线圈模块(5)的输入端相对设置，接收线圈模块(5)的输出端与整流滤波模块(6)的输入端相连，整流滤波模块(6)的输出端与系统负载(7)相连，信号采集及发射模块(8)用于采集系统负载(7)的瞬时电压和瞬时电流，将其处理并发送给信号接收及处理模块(9)；所述中继线圈模块(4)包括中继线圈和第一补偿电容CR，所述第一补偿电容CR为可变电容器，中继线圈与第一补偿电容CR串联，组成单独回路；信号接收及处理模块(9)将信号处理得到系统负载的阻值，同时得到系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容，通过可调电容器调节第一补偿电容CR到达系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容使系统传输效率最优化。
2.根据权利要求1所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：搭建三线圈无线电能传输系统的等效电路，根据等效电路得到系统能量传输效率η3与第一补偿电容CR的关系式：
Figure FDA0002783207350000011
Figure FDA0002783207350000012
Figure FDA0002783207350000013
式中，x1、x2、x3表示中间变量，RLe为系统的等效负载，RR和X分别为中继线圈回路阻抗的实部和虚部，RT为发射线圈回路的阻抗，RS为接收线圈回路的阻抗，ωd为系统的驱动角频率，MTR为发射线圈LT和中继线圈LR之间的互感，MTS为发射线圈LT和接收线圈LS之间的互感，MRS为中继线圈LR和接收线圈LS之间的互感。
3.根据权利要求2所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：发射线圈模块(3)包括相互串联的发射线圈LT和第二补偿电容CT，发射线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure FDA0002783207350000021
其中，ωT表示发射线圈模块的固有谐振频率，LT表示发射线圈自感值，CT表示第二补偿电容。
4.根据权利要求3所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：中继线圈模块(4)的固有谐振频率满足：
Figure FDA0002783207350000022
其中，ωR表示中继线圈模块的固有谐振频率，LR表示中继线圈自感值，CR表示第一补偿电容。
5.根据权利要求4所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：接收线圈模块(5)包括相互串联的接收线圈LS和第三补偿电容CS，并且接收线圈模块的固有谐振频率满足：
Figure FDA0002783207350000023
其中，ωS表示接收线圈模块的固有谐振频率，LS表示接收线圈自感值，CS表示第三补偿电容；
所述整流滤波模块(6)包括单相不可控整流电路和滤波电容Cfilter，单相不可控整流电路与滤波电容Cfilter并联。
6.根据权利要求5所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的等效负载RLe和系统负载RLa满足公式：
Figure FDA0002783207350000024
其中，RLe表示等效负载的阻值，RLa表示系统负载的阻值。
7.根据权利要求6所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：信号采集及发送模块(8)包括依次连接的电压电流检测电路、DSP1和信号发射装置；信号接收及处理模块(9)包括依次连接的信号接收装置和DSP2，DSP2用于实时处理信号采集及发射模块(8)所采集的电压电流信号，得到系统负载的阻值，计算得到实现系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容，发送信号给可调电容器，使第一补偿电容CR调整到系统能量传输效率最优时所需的所需的中继线圈补偿电容。
8.根据权利要求7所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：所述高频逆变器(2)采用单相全桥逆变电路，高频逆变器(2)的输出频率固定不变，输出电压为方波，输出电压满足公式：
Figure FDA0002783207350000025
其中，Uab表示高频逆变器的输出电压，VDC表示直流电源的电压。
9.根据权利要求8所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统，其特征在于：系统的驱动角频率ωd、发射线圈模块的固有谐振频率ωT、接收线圈模块的固有谐振频率ωS满足公式：ωd＝ωT＝ωS。
10.一种基于权利要求9所述基于中继线圈补偿电容的三线圈无线电能传输系统的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设定系统负载(7)的初始参考值；
步骤2，系统正常工作时，信号采集及发送模块(8)中的电压电流检测电路检测到系统负载(7)的瞬时电压和瞬时电流，DSP1将采集到的电压电流信号处理，得到系统负载(7)的检测值；
步骤3，DSP1将此次检测得到的检测值与系的参考值进行比较；
步骤4，若检测值等于参考值，则进行步骤2；若检测值不等于参考值，信号采集及发送模块(8)将系统负载阻值信息通过信号发射装置RF1发送给信号接收装置RF2，DSP2得到系统负载(7)的阻值，并且将步骤2中的检测值设定为系统负载(7)的参考值；
步骤5，将系统负载(7)的阻值根据公式
Figure FDA0002783207350000031
转换成等效负载的阻值，将其代入公式(1)，公式(1)中除系统能量传输效率η3和中继线圈回路阻抗的虚部X为未知数，其余均为给定的系统参数，对X进行求导，得到
Figure FDA0002783207350000032
的点，选取结果中X的最小值；
步骤6，根据公式(3)中X与CR的关系以及给定的系统的驱动角频率ωd和中继线圈LR，求解系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容；
步骤7，由DSP2向第一补偿电容CR发送信息，调节第一补偿电容CR的容值变成步骤6中求解的系统能量传输效率最优时所需的中继线圈补偿电容。
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