CN112937319B - 智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，属于智能餐车技术领域，其特征在于，顺着电信号传输方向依次包括：电源供电部；磁共振耦合传输部，所述磁共振耦合传输部包括原边电路和副边电路；所述原边电路包括多频谐振补偿模块、原边谐振线圈与原边传输阻抗；副边电路包括：在不同传输协议下，安装于N个智能餐车上具有不同固有谐振频率的副边谐振线圈、副边匹配电容以及副边传输阻抗；N为大于1的自然数；所述多频谐振补偿模块包括：由N‑1组谐振电容电感并联组成的谐振频率产生电路、串联于所述谐振频率产生电路信号输出侧的电容。本发明能够实现在不同传输协议下的多个接收线圈仅使用单个发射线圈进行充电。

Description

智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统
技术领域
本发明属于智能餐车技术领域，具体涉及一种智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统及纺丝隔膜。
背景技术
近年来，随着人力成本增加，智能餐车已成为解决餐饮业劳动力成本上升问题的首选。智能餐车是一种车载电源作为动力，利用电机驱动车轮转动，并有智能路径规划系统控制，符合安全标准的智能餐饮服务机器。但现有的智能餐车电池容量小，工作时间有限，同时电池充电时间长，充电线路增加时需要额外人力管理充电线路，成为智能餐车应用和推广的最大瓶颈。
为智能餐车充电的方式通常包括：有线充电和无线充电。其中，有线充电采用传统的插头与插座的金属接触方式来供电，无线充电是使用谐振原理在耦合磁场条件下实现电能的传输。由于无线电能传输系统具有灵活、非侵入性、无触电危险、无机械磨损、可适应不同的充电功率需求、便于实现无人自动充电、安全等优点，成为未来智能餐车供能的主流。伴随着无线充电技术的快速发展和在智能餐车领域的结合，无线充电技术出现了前所未有的多样性和复杂性。因此，研究人员投入大量的精力对线圈补偿网络、角度错位和线圈优化等方面进行研究。近年来，除技术本身的发展，从业人员起草、讨论并发表了不同的无线充电标准和控制方案，显著提高了磁共振耦合无线电能传输系统在智能餐车充电领域的实用性。
然而，这些充电技术技术标准涵盖10kHz到数10MHz的相当宽范围的频率，这使得由一个发送端同时充能不同技术标准下的多个负载(智能餐车)成为一个技术难点。此外，在传统的单一频率下单发送线圈多接收线圈无线电能传输系统中，被一个线圈接收到的功率由收发线圈之间的阻抗值和耦合系数确定。换言之，收发线圈之间的能量分配关系不能由原边进行直接控制。无法为智能餐车提供专属的个性化服务，从而使得无线电能充电站的电力资源未能达到最大化利用，造成无线充电站的资源浪费。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，通过在原边设计多频谐振补偿网络，从而实现在不同传输协议下的多个接收线圈仅使用单个发射线圈进行充电。
本发明的目的是提供一种智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，顺着电信号传输方向依次包括：
电源供电部；
磁共振耦合传输部，所述磁共振耦合传输部包括原边电路和副边电路；其中：
所述原边电路包括多频谐振补偿模块、原边谐振线圈与原边传输阻抗；
所述副边电路包括：在不同传输协议下，安装于N个智能餐车上具有不同固有谐振频率的副边谐振线圈、副边匹配电容以及副边传输阻抗；N为大于1的自然数；
所述多频谐振补偿模块包括：由N-1组谐振电容电感并联组成的谐振频率产生电路、串联于所述谐振频率产生电路信号输出侧的电容。
优选地：所述电源供电部包括交流信号源和差分信号放大器；所述交流信号源输出通过信号发生器将N个谐振频率的交流电叠加在一起，然后通过差分信号放大器将叠加波放大至传输需要的幅值，差分信号放大器将放大后的交流电输出到多频谐振补偿网络中。
优选地：所述交流信号源为能够产生两种不同频率正弦信号的两台信号发生器。
优选地：所述交流信号源为能够产生三种不同频率正弦信号的三台信号发生器。
优选地：接收负载装置部分包括AC/DC整流装置、负载电容与负载电阻。
本发明具有的优点和积极效果是：
一、当多个智能餐车机器人同时需要进行无线充电时，因为使用了多频谐振补偿拓扑作为原边补偿电路，系统可以同时具有个谐振频率点，使得电路能够在仅仅使用一个原边的情况下对不同充电协议的智能餐车同时进行充电。
二、由于仅使用一个原边电路兼容不同充电协议下的智能餐车，实现多通道充电，节省了原边充电器的数量，减少了占地面积以及接头数量，减少事故发生的可能性，同时降低了餐饮店的成本。
附图说明
图1为本发明第一优选实施例的系统结构图；
图2为本发明第二优选实施例的系统结构图；
图3为本发明第三优选实施例的系统结构图；
图4为本发明优选实施例的流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请查阅图1至图4：
一种智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，包括：
电源供电部、磁共振耦合传输部和多个接收负载装置。
电源供电部包括交流信号源和差分信号放大器；交流电源输出通过信号发生器将N个谐振频率的交流电叠加在一起，然后通过功率放大器将叠加波放大至传输需要的幅值，信号放大器将放大后的交流电输出到多频谐振补偿网络中。
磁共振耦合传输部分包括原边电路和副边电路。原边电路中包含原边多频谐振补偿模块、原边谐振线圈与原边传输阻抗；副边电路中包含不同充电协议下的不同固有谐振频率的N个智能餐车带有的副边谐振线圈、副边匹配电容以及副边传输阻抗。
所述多频谐振补偿网络模块包含N-1组并联连接的谐振电容电感和最后一个串联连接的电容组成，整个电路相当于有N组不同的谐振频率点，每一组并联连接的电容电感构成一个谐振点，最后一个串联的电容与原边谐振互感构成第N个谐振点，由上面所述的N组电容电感组成N个谐振频率点，以实现N个频率在同一个电路中谐振，为N个不同谐振频率的副边进行供电。
接收负载装置部分包括AC/DC整流装置、负载电容与负载电阻。所述磁共振耦合传输部分中副边谐振线圈输出交流电到AC/DC整流装置的交流输入端，AC/DC整流装置的直流输出端连接电容CL，负载电阻与负载电容CL并联，负载电阻即为实际应用中的接收器件，即巡检机器人中需要消耗电能的部分。
本技术方案的原理为：
以双频谐振补偿电路为例，系统在两个传输通道下的输入功率大小由不同频率的电压源幅值决定，即如果Uin (1)幅值增大，那么通道1的输入功率增大；同理若Uin (2)幅值增大，相应的通道2的输入功率也增大。但要满足多通道无线电能传输系统中不同负载对输出功率的要求，则需要保证电压源Uin (1)的能量主要传输给对应谐振频率为f1的副边回路所带负载，即RL1。同理，电压源Uin (2)的能量则主要传输给对应谐振频率为f2的副边回路所带负载RL2。
当系统兼容N种不同的智能餐车充电协议时，所述多频谐振补偿网络模块包含N-1组并联连接的谐振电容电感和最后一个串联连接的电容组成，整个电路相当于有N组不同的谐振频率点，每一组并联连接的电容电感构成一个谐振点，最后一个串联的电容与原边谐振互感构成第N个谐振点，由上面所述的N对电容电感组成N个谐振频率点，以实现N个谐振电路一起谐振，为N个不同谐振频率的副边进行供电。
如图2所示，信号发生器由两个频率别为100kHz与300kHz的正弦信号叠加，获得谐振频率点为100kHz与300kHz的补偿电路的混合输入，然后由差分信号放大器放大输出至多频谐振补偿电路的输入端，作为系统的信号生成部分。
双频谐振补偿电路两个谐振频率处的谐振电容和谐振电感值设计，其步骤为：
第一步，定义适应不同无线电能传输标准的两预定义频率f1,f2；
第二步，由下面公式计算满足不等式范围要求的rL的下界，即rL的取值范围；
Figure BDA0002950676230000041
式中中间变量rL,中间变量rf定义如下
Figure BDA0002950676230000042
Figure BDA0002950676230000043
第三步，绕制原边发射线圈并测定原边发射线圈的电感值LP1；
第四步，绕制原边补偿线圈并测定原边补偿线圈的电感值LP2；
第五步，在确定原副边电感值后，利用下方公式计算rc；
Figure BDA0002950676230000044
式中：rC为电容Cp1与Cp2之比。
第六步，由上述确定的f1,rL,rc的数值，由下方公式计算fLP1CP1；
Figure BDA0002950676230000045
式中：f1为实际谐振频率1，fLP1CP1为理想谐振频率。
第七步，利用Lp1，
Figure BDA0002950676230000046
及下方公式计算Cp1；
Figure BDA0002950676230000051
式中：fLP1CP1为理想谐振频率，CP1为补偿电容1。
第八步，由下方公式取定Cp2；
Figure BDA0002950676230000052
式中CP1为补偿电容1，CP2为补偿电容2。
通过上述过程计算出双频谐振补偿网络的相应的电感电容值CP1,LP1,CP2,LP2，详细流程见图4。
上面对双频谐振补偿电路两个谐振频率处的谐振电容和谐振电感值设计，针对于三个谐振频率处的谐振电容和谐振电感值设计，具体为：
第一步，定义适应不同无线电能传输标准的三预定义频率f1,f2，f3；
第二步，绕制原边发射线圈并测定原边发射线圈的电感值LP1；
第三步，绕制原边补偿线圈1并测定原边补偿线圈1的电感值LP2；
第四步，绕制原边补偿线圈2并测定原边补偿线圈2的电感值LP3；
第五步，利用下方公式获得中间变量xi,i＝1,2,3的值
xi＝(2πfi)2,i＝1,2,3
第六步，由下方公式计算出中间变量a,b,c
Figure BDA0002950676230000053
Figure BDA0002950676230000054
Figure BDA0002950676230000055
Figure BDA0002950676230000056
Figure BDA0002950676230000057
Figure BDA0002950676230000058
其中x1,x2,x3,a,b,c,p,q,Δ均为为了便于计算的中间变量。
第七步，由上一步计算出a,b,c，再利用下方公式计算电容值CP1,CP2,CP3
Figure BDA0002950676230000061
通过上述过程计算出双频谐振补偿网络的相应的电感电容值
CP1,LP1,CP2,LP2,CP3,LP3。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，其特征在于，顺着电信号传输方向依次包括：
电源供电部；
磁共振耦合传输部，所述磁共振耦合传输部包括原边电路和副边电路；其中：
所述原边电路包括多频谐振补偿模块、原边谐振线圈与原边传输阻抗；
所述副边电路包括：在不同传输协议下，安装于N个智能餐车上具有不同固有谐振频率的副边谐振线圈、副边匹配电容以及副边传输阻抗；N为大于1的自然数；
所述多频谐振补偿模块包括：由N-1组谐振电容电感并联组成的谐振频率产生电路、串联于所述谐振频率产生电路信号输出侧的电容；其中：
每一组并联连接的电容电感构成一个谐振点，最后一个串联的电容与原边谐振互感构成第N个谐振点，即由N对电容电感组成N个谐振频率点，以实现N个谐振电路一起谐振，为N个不同谐振频率的副边进行供电。
2.根据权利要求1所述的智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，其特征在于：所述电源供电部包括交流信号源和差分信号放大器；所述交流信号源输出通过信号发生器将N个谐振频率的交流电叠加在一起，然后通过差分信号放大器将叠加波放大至传输需要的幅值，差分信号放大器将放大后的交流电输出到多频谐振补偿网络中。
3.根据权利要求2所述的智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，其特征在于：所述交流信号源为能够产生两种不同频率正弦信号的两台信号发生器。
4.根据权利要求2所述的智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，其特征在于：所述交流信号源为能够产生三种不同频率正弦信号的三台信号发生器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的智能移动餐厅用基于多频谐振补偿的多通道无线充电系统，其特征在于：接收负载装置部分包括AC/DC整流装置、负载电容与负载电阻。
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