CN112688441B - 基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统，首先该系统具有四个串/并联LC支路，每个支路在不同的工作频率下可以表现为感性、容性、短路或开路的对外电路特性；然后，根据预设的两个谐振频率，设计选频补偿网络的系统参数，使得系统能够工作在不同的开关频率下，且两个不同的工作频率分别对应LC‑LC串联谐振与LCL‑LCL谐振的补偿网络传输特性；最后，通过向系统叠加两个不同频率的工作电源，让系统功率可以叠加两个不同谐振电路的传输特性，实现抵抗位置偏移的功能。该系统无需额外的控制或通信即可提高无线电能传输系统的抵抗位置偏移能力，设计简单，易于理解和实现。

Description

基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统。

背景技术

目前，环境和能源问题日益成为全球的突出问题之一。如何有效地利用现有能源，已引起了各国学者的广泛关注。随着材料学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，无线电能传输系统在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源发电、医疗仪器、照明、便携式通讯设备等领域均有着广泛的应用前景。

电磁耦合谐振无线电能传输技术属于电能输送领域的前沿课题，是一个全新的技术领域，利用磁耦合谐振原理，通过两个具有相同谐振频率的线圈产生高频交变耦合磁场实现电能在一定距离范围内传输。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的近、中程距离电能传输，具有通用性强、安全性高等优点。

磁耦合谐振无线电能传输技术就是通过磁场的谐振耦合进行能量的传输，两个谐振频率相同的谐振电路，它们的谐振线圈之间会产生较强的磁场耦合，这样两线圈就可以通过磁场耦合不断的交换能量，从而达到能量高效率的无线传输。但是磁耦合的无线电能传输容易受到线圈的相对位置的影响，互感的变化一般来说可以对系统的传输功率造成很大的影响，随相对位置变化的不稳定的无线电能传输的应用前景是很渺茫的。因此，本发明提出了一种选频混合结构的补偿网络，旨在一定的耦合系数波动范围内，在不加闭环控制的情况下，可以实现稳定的功率分布。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种新的选频混合补偿网络的无线电能传输系统。该系统在一次电路和二次电路中都加入了相同的混合补偿网络。该补偿网络的设计是为了在不同频率工作时能够分别表现出感性、容性、短路或开路特性，这样在不同的工作频率下，系统可以具有不同的等效补偿网络。该系统采用多个频率的电压输入，通过组合不同补偿网络的特性，在接收线圈位置偏移的情况下可以实现相对稳定的功率传输。因此，这种新的混合系统对线圈位置偏移引起的自感和互感变化具有良好的鲁棒性。本发明基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统，具体步骤如下：

S1，根据LC-LC以及LCL-LCL拓扑的结构关系，设计四LC支路的组合电路，得到选频混合补偿网络的拓扑结构；

S2，通过选取两个不同的工作频率，根据补偿网络的两个谐振频率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数；

S3，通过选取两个频率的工作电源同时注入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的互感变化的功率传输特性。

作为本发明进一步改进，S1中所述的设计选频混合补偿网络的拓扑结构，具体过程如下：

从整体结构来说，该系统包含用于产生高频方波电压U的原边逆变器，原边补偿网络、副边补偿网络以及带有能量管理功能的整流器和负载，该系统的具体电路结构如下，原边与副边补偿网络的结构完全一样，通过定义与分类，该系统的选频补偿网络被分成四个谐振腔，每个谐振腔都是一对串/并联的LC支路L_i和C_i组成，其中i＝1,2,3,4，分别定义为tank1-4，其中tank1和3的电容和电感是串联，tank2和4的电容和电感是并联，另外，系统原边和副边的能量传输通道由线圈电感L_P和L_S构成，M是两个线圈之间的互感，负载部分由一个电阻R_L构成，本系统的输入电压U是由单个逆变器输出的包含高次谐波的方波电压，也是两个不同频率的正弦电压叠加而成；

如上所述，该系统由四个谐振腔组成，每个谐振腔根据电源的工作频率不同，表现为感性、容性、短路或开路的不同电路特性，因此，当四个谐振腔在不同的工作频率下驱动时，系统具有可变化的补偿网络的特性，此外，补偿网络可以由在不同频率上的两个或多个正弦电压的叠加来供电，因此，通过调整系统的输入电压U，可以得到近似恒定的传输功率。

作为本发明进一步改进，S2所述，通过选取两个不同的工作频率，根据补偿网络的两个谐振频率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数，具体过程如下：

1)LC-LC补偿电路

考虑第一种情况，系统的工作频率为f₁，当频率为f₁时，tank2和tank4都处于并联谐振状态，相当于开路，tank1和tank3的等效阻抗是容性的，记为C_p和C_s，并分别与发射线圈L_p和接收线圈L_s串联，因此，在频率f₁处，原副边的补偿网络的谐振条件为：

基于式(1)和(2)，将整个系统的等效电路简化为LC-LC补偿电路；

2)LCL-LCL补偿电路

考虑另一种谐振条件，系统的工作频率为f₂，当频率为f₂时，tank1和tank3是感性的，用L_x1和L_x2表示，tank2和tank4是容性的，用C_x1和C_x2表示，这些容性腔分别与发射线圈L_p和接收线圈L_s并联谐振，同样，元件参数在频率为f₂时应该满足下列条件：

因此，工作频率为f₂时，整个系统等效为一个LCL-LCL补偿网络。

作为本发明进一步改进，S3中所述的通过选取两个频率的工作电源同时注入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的互感变化的功率传输特性，具体过程如下：

1)频率为f₁的系统数学模型

从等效电路得到系统在频率为f₁的电路方程：

其中U₁是输入电压，ω₁是U₁的角频率，r₁和r_p分别是tank1和发射线圈的内阻，r₃和r_s分别是tank3和接收线圈的内阻，i_p和i_s分别是发射线圈和接收线圈的电流，R_L是负载，由方程(5)得流过负载的电流表达式：

忽略线圈的铜损并假设系统完全谐振，表达式i_s简化为：

系统在频率为f₁时的输出功率计算为：

2)频率为f₂的系统数学模型

系统在频率为f₂时的等效电路是一个LCL-LCL补偿网络，本系统负载电流的计算分为两部分，每部分有两步等效电路变换；

其中：

在方程(9)中，U₂是输入电压，ω₂是U₂对应的角频率，r_x1和r_x2分别是L_x1和L_x2的内阻，i_p和i_s分别是流过L_x1和L_x2的电流，C_x1和C_x2分别为L_p和L_s的并联谐振电容器，i_p1和i_s1分别是发射线圈和接收线圈中的电流，R_L是负载，将(9)中的第一个方程代入第二个方程即可得到负载电流的表达式，化简后，i_s的表达式如下：

由方程(10)可知，负载电流i_s与电流i_p1有关，因此，在计算系统输出功率之前，首先要求解出当前i_p1的表达式；

然后，回到第2部分，从第2部分的两个步骤,可以得到一组新的电路方程:

其中：

方程(11)中所示的所有参数与第1部分具有相同的含义，与第1部分相同操作后，得到i_p1的表达式：

在得到i_p1的表达式后，将i_p1代入式(10)中，得到i_s的整体表达式:

忽略系统的铜损，并假设系统完全谐振，i_s的表达式简化为:

然后，系统在频率f₂处的输出功率计算为：

3)系统总输出功率

当系统的两个工作频率f₂和f₁恰好为整数倍关系时，该混合系统的有功功率表示为：

其中V_o,n，I_s,n分别是输出电压U_o,n和负载电流i_s,n在频率f₁,f₂的均方根值，θ_s,n是U_o,n和i_s,n之间的相位角，当负载是电阻时θ_s,n等于零；

化简后，输出功率表示为：

式(17)是式(8)和式(15)的和，假设ω₂是频率ω₁的整数倍，两个电源的输出功率直接相加得到总输出功率。

本发明提出的基于选频混合补偿网络的无线电能传输系统能够减小位置偏移的影响，它能提供一个近似恒定的功率分布。该系统在原边和副边采用了对称的串联或并联支路。这些谐振腔可以表现出不同的特性，系统在工作频率为f₁和f₂时分别等效为LC-LC或LCL-LCL补偿网络。系统的输入为频率为f₁和f₂的正弦电压的叠加，可以抵抗位置偏移的影响来提供或近似的恒功率输出。在耦合系数变化的时候该系统能够提供恒定的功率输出。与其他类型的无线电能传输系统相比，该系统具有更紧凑的线圈结构和更高的空间自由度，可以在不使用额外传感器和闭环控制器的情况下实现相对稳定的输出功率。系统的设计简单，易于理解和实现。

附图说明

图1本发明系统的：(a)拓扑结构图；(b)等效电路；

图2本发明工作频率为f₁时的系统等效电路图；

图3本发明工作频率为f₂时的系统等效电路图；

图4本发明工作频率为f₂时负载电流计算的每一步等效电路：(a)第一部分第一步；(b)第一部分第二步；(c)第二部分第一步；(d)第二部分第二步；

图5本发明实施例的阻抗测量结果；

图6本发明实施例的系统仿真结果：(a)输出功率随耦合系数的变化曲线；(b)系统效率随耦合系数的变化曲线；

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明所述系统的设计与应用，具体步骤如下；

为了验证所发明提出的基于选频混合补偿网络的无线电能传输系统的可行性和有效性，本发明对如图1(b)所示的系统进行仿真设计与验证，以MATLABSimulink模型作为仿真实施例，并基于仿真和数学分析对结果进行了详细的解释。

在选择f₁和f₂分别为20kHz和60kHz后，可以同时满足参数方程(1)-(4)各元件的参数如表一所示。

表一 系统元件参数

A.阻抗分析：

频率选择性是本发明所提系统的关键特性之一。本发明设计的工作频率设为f₁，其三倍频率f₂。为了深入了解频率选择性特性，利用在MATLABSimulink的“powergui”模块中的阻抗测量工具测量所设计系统的输出阻抗，其结果如图5所示。

如图5所示，该系统模型在f₁处具有极低的阻抗，在f₂处具有较高的阻抗。根据第二节的分析，该系统模型在频率f₁处是LC-LC串联电路，而在频率f₂处是LCL-LCL电路。对于频率f₁，系统表现出短路特性，其等效阻抗接近于零。对于频率f₂，该系统模型表现出与LCL谐振电路相当的开路特性，等效阻抗极高。因此，阻抗测量结果证明了所提出的混合系统模型具有优越的频率选择特性，保证了补偿网络在两种不同频率驱动下的可靠运行。

B.功率传输特性：

由于系统可以分别在两种不同的频率特性下工作，因此可以结合LC-LC和LCL-LCL补偿网络的功率传输特性来提高线圈位置偏移时的系统性能。为了验证相对恒定功率传输的可行性，利用MATLABSimulink对系统模型的功率特性进行了测量与记录。

在该系统模型中，利用两个输入电压串联来模拟多个频率输入。使用开环控制器，输入电压源的振幅预先按照表一设定。系统的互感用耦合系数k表示，其范围从0到1，实施例的测量结果如图6所示。

如图6(a)所示，当耦合系数k从0.2变化到0.5时，该系统提供了相对恒定的功率。系统的输出功率维持在1.3kW。这是因为LC-LC串联补偿网络传输的功率大小与耦合系数k成反比，而由频率f₂供电的LCL-LCL补偿网络传输的功率大小与耦合系数k成正比。然而当耦合系数超过这个区域，系统的输出功率便不再稳定。图6(b)表明该系统的效率随着耦合系数k的增加而增加。在相对恒定的输出功率区域最大效率约为80％。

在实施例中，互感M的变化可能是由接收器的垂直或水平位置变化引起的。通过将功率传输特性互补的两个不同频率的输入相结合，与传统的补偿拓扑相比，该系统对位置偏移具有更好的鲁棒性。本发明所示的基于选频混合补偿网络的无线电能传输系统将两个谐振网络集成到一个拓扑中，但仅仅只需要一对发射线圈和接收线圈。与其他类型的混合WPT系统相比，该系统具有更紧凑的线圈结构和更高的空间自由度，可以在不使用额外传感器和闭环控制器的情况下实现相对稳定的输出功率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (2)

1.基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统，其特征在于，具体步骤如下：

S1，根据LC-LC以及LCL-LCL拓扑的结构关系，设计四LC支路的组合电路，得到选频混合补偿网络的拓扑结构；

S1中所述的选频混合补偿网络的拓扑结构，具体过程如下：

从整体结构来说，该系统包含用于产生高频方波电压U的原边逆变器，原边补偿网络、副边补偿网络以及带有能量管理功能的整流器和负载，该系统的具体电路结构如下，原边与副边补偿网络的结构完全一样，通过定义与分类，该系统的选频补偿网络被分成四个谐振腔，每个谐振腔都是一对串/并联的LC支路L_i和C_i组成，其中i＝1,2,3,4，分别定义为tank1-4，其中tank 1和3的电容和电感是串联，tank2和4的电容和电感是并联，另外，系统原边和副边的能量传输通道由线圈电感L_P和L_S构成，M是两个线圈之间的互感，负载部分由一个电阻R_L构成，本系统的输入电压U是由单个逆变器输出的包含高次谐波的方波电压，也是两个不同频率的正弦电压叠加而成；

每个谐振腔根据电源的工作频率不同，表现为感性、容性、短路或开路的不同电路特性，因此，当四个谐振腔在不同的工作频率下驱动时，系统具有可变化的补偿网络的特性，此外，补偿网络可以由在不同频率上的两个或多个正弦电压的叠加来供电，因此，通过调整系统的输入电压U，可以得到近似恒定的传输功率；

S2，通过选取两个不同的工作频率，根据补偿网络的两个谐振频率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数；

S3，通过选取两个频率的工作电源同时注入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的互感变化的功率传输特性；

S3中所述的通过选取两个频率的工作电源同时注入，得到能够通过两个频率通道进行能量传输的无线电能传输系统，且该系统具备能抵抗位置偏移引起的互感变化的功率传输特性，具体过程如下：

1)频率为f₁的系统数学模型

从等效电路得到系统在频率为f₁的电路方程：

其中U₁是输入电压，ω₁是U₁的角频率，r₁和r_p分别是tank1和发射线圈的内阻，r₃和r_s分别是tank3和接收线圈的内阻，i_p和i_s分别是发射线圈和接收线圈的电流，R_L是负载，由方程(5)得流过负载的电流表达式：

忽略线圈的铜损并假设系统完全谐振，表达式i_s简化为：

系统在频率为f₁时的输出功率计算为：

2)频率为f₂的系统数学模型

系统在频率为f₂时的等效电路是一个LCL-LCL补偿网络，本系统负载电流的计算分为两部分，每部分有两步等效电路变换；

其中：

在方程(9)中，U₂是输入电压，ω₂是U₂对应的角频率，r_x1和r_x2分别是L_x1和L_x2的内阻，i_p和i_s分别是流过L_x1和L_x2的电流，C_x1和C_x2分别为L_p和L_s的并联谐振电容器，i_p1和i_s1分别是发射线圈和接收线圈中的电流，R_L是负载，将(9)中的第一个方程代入第二个方程即可得到负载电流的表达式，化简后，i_s的表达式如下：

由方程(10)可知，负载电流i_s与电流i_p1有关，因此，在计算系统输出功率之前，首先要求解出当前i_p1的表达式；

然后，回到第2部分，从第2部分的两个步骤,可以得到一组新的电路方程：

其中：

方程(11)中所示的所有参数与第1部分具有相同的含义，与第1部分相同操作后，得到i_p1的表达式：

在得到i_p1的表达式后，将i_p1代入式(10)中，得到i_s的整体表达式:

忽略系统的铜损，并假设系统完全谐振，i_s的表达式简化为:

然后，系统在频率f₂处的输出功率计算为：

3)系统总输出功率

当系统的两个工作频率f₂和f₁恰好为整数倍关系时，该无线电能传输系统的有功功率表示为：

其中V_o,n，I_s,n分别是输出电压U_o,n和负载电流i_s,n在频率f₁,f₂的均方根值，θ_s,n是U_o,n和i_s,n之间的相位角，当负载是电阻时θ_s,n等于零；

化简后，输出功率表示为：

式(17)是式(8)和式(15)的和，假设ω₂是频率ω₁的整数倍，两个电源的输出功率直接相加得到总输出功率。

2.根据权利要求1所述的基于选频补偿网络抗位置偏移的无线电能传输系统，其特征在于，S2中通过选取两个不同的工作频率，根据补偿网络的两个谐振频率的约束条件，设计四个LC支路的元件参数，具体过程如下：

1)LC-LC补偿电路

考虑第一种情况，系统的工作频率为f₁，角频率为ω₁，当频率为f₁时，tank2和tank4都处于并联谐振状态，相当于开路，tank1和tank3的等效阻抗是容性的，记为C_p和C_s，并分别与发射线圈L_p和接收线圈L_s串联，因此，在频率f₁处，原副边的补偿网络的谐振条件为：

基于式(1)和(2)，将整个系统的等效电路简化为LC-LC补偿电路；

2)LCL-LCL补偿电路

考虑另一种谐振条件，系统的工作频率为f₂，当频率为f₂时，tank1和tank3是感性的，用L_x1和L_x2表示，tank2和tank4是容性的，用C_x1和C_x2表示，这些容性腔分别与发射线圈L_p和接收线圈L_s并联谐振，同样，元件参数在频率为f₂时应该满足下列条件：

因此，工作频率为f₂时，整个系统等效为一个LCL-LCL补偿网络。

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