CN112994261B - 一种利用最优电流比例实现三线圈wpt系统效率优化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，属于无线电传输技术领域，目的在于解决现有三线圈WPT系统效率低的问题。其包括推导发射线圈电流I_T和接收线圈电流I_S存在一个最优比例λ^opt使得系统效率最高、调节最优电流比例、逆变器移相角δ的控制、有源整流桥移相角ε的控制。本发明适用于基于有源整流桥的三线圈无线电能传输系统效率优化。

Description

一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法

技术领域

本发明属于无线电传输技术领域，具体涉及一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)系统的效率优化问题是当前研究的热点之一。对于一个一般的无线电能传输系统，总是存在一个最优负载使得系统效率最高。然而，在实际的工程应用中，系统的负载往往随着工况的变化而发生改变，从而导致系统效率脱离最高效率点。目前，针对此问题主要的效率优化方法包括：1)优化系统参数和拓扑。但是，这种方法只能应用于特定的负载，当WPT系统的负载发生变化时，这些方法将失效；2)使用最大效率点跟踪(MEPT)控制方案。为了在大负载电阻范围内提供高功率，直直变换器被广泛用于自适应地改变负载，可以显著提高WPT系统的效率。然而直直变换器会增加WPT系统的成本和安装空间；3)调节系统工作频率。然而，这种方法受到工业科学医学波段的限制。

对于电动汽车WPT系统，一方面需要维持恒定电压为其供电；另一方面，由于电动汽车充电功率较大，需要对其进行效率优化以节省经济成本。因此，WPT系统需要有两个控制自由度以同时实现恒压和最大效率输出。近年来，有源整流器被广泛应用于WPT系统接收端。基于有源整流器的WPT系统的结构与传统的WPT系统相似，而有源整流器可以提供另一个控制自由度。同时，与直直变换器相比，有源整流器不需要额外的安装空间。此外，利用有源整流实现无线双向功率传输，并跟踪最优负载，可以提高了WPT系统效率。但是，上述方法只考虑了双线圈WPT系统。随着传输距离的增大，双线圈WPT系统的性能下降。为了增加传输距离，通常采用中间继电器线圈形成三线圈WPT系统，它从发射线圈接收功率，然后将功率传输到接收线圈。遗憾的是，在以往的研究中并没有对这种三线圈WPT系统的效率进行详细的分析。因此，提出一种三线圈WPT系统的效率优化方法显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，解决了现有三线圈WPT系统效率低的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，对于一个给定的三线圈无线电能传输系统，发射线圈电流I_T和接收线圈电流I_S存在一个最优比例λ^opt使得系统效率最高，推导过程如下：

根据基尔霍夫定理，可得以下方程：

结合系统参数设定：

因此可得每个线圈上的电流表达式：

假设I_T＝λI_S

则可得：

此时，输入功率P_in、输出功率P_O为：

因此，可求出系统效率表达式：

对其求导：

可得最优电流比例：

式中：α＝(ω²M_TP ²+R_PR_T)，β＝(ω²M_TS ²+R_SR_T)，γ＝(R_Sω²M_TP ²+R_Pω²M_TS ²+R_PR_TR_S)。

在三线圈系统工作过程中，当系统负载值变化时，可通过调节电流比例至最优值，使得系统效率维持最高。

进一步地，所述最优电流比例调节过程包括以下步骤：

(1)对于电动汽车应用场合，需要维持一个恒定的充电电压，因此当三线圈无线传能负载变化时，首先需要通过调节逆变器移相角δ从而维持恒定的系统输出电压；

(2)当逆变器移相角δ被改变，逆变器输出电压V_P随之改变，导致系统各线圈电流发生改变。因此，需要调节有源整流桥移相角ε，从而维持发射线圈电流与接收线圈电流最优比值λ^opt。

进一步地，所述有源整流桥移相角ε的控制过程包括以下步骤：

(1)测量V_O；

(2)通过无线通信模块将V_O传输至原边PI控制器，并与参考电压值V_O ^*进行比较，根据测量值与参考值之间的误差得到逆变器移相角δ实际值；

(3)测量I_T与I_S；

(4)根据电流测量值计算得到其比例λ，将电流比λ与参考最优电流比λ^opt进行比较，根据测量值与参考值之间的误差得到整流桥移相角ε实际值；

(5)重复上述过程并最终达到稳态，可使三线圈无线电能传输系统在保持恒压输出的同时实现系统效率最优。

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、本发明中，提出了针对三线圈WPT系统效率优化的电流最优比控制方法，对三线圈WPT系统的效率进行了详细的分析，并推导出了系统效率与电流比例λ之间的关系，可对后来三线圈WPT系统后续的效率研究工作提供借鉴；同时。不需要增加额外的dc/dc变换器来控制接收端输出电压，可减小系统安装体积。并且，通过最优电流比例控制方法，在维持系统恒压输出的同时可实现系统效率最优，解决了现有三线圈WPT系统效率低的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明三线圈无线电能传输系统的结构示意图；

图中各变量分别表示：

V_in：直流输入电压、V_P：逆变器输出电压、I_P：原级线圈电流、I_T：发射线圈电流、I_S：接收线圈电流、V_S：整流桥输入电压、V_O：整流桥输出电压、V_O ^*：整流桥目标输出电压、I_O：整流桥输出电流、ω：系统工作角频率、L_P：原级线圈寄生电感、C_P：原级线圈谐振补偿电容、R_P：原级线圈内阻、L_T：发射线圈寄生电感、C_T：发射线圈谐振补偿电容、R_T：发射线圈内阻、L_S：接收线圈寄生电感、C_S：接收线圈谐振补偿电容、R_S：接收线圈内阻、M_PS：源级线圈与接收线圈之间的互感、M_PT：源级线圈与发射线圈之间的互感、M_TS：发射线圈与接收线圈之间的互感、R_L：负载电阻、λ：发射线圈电流与接收线圈电流比例、λ^opt：发射线圈电流与接收线圈目标电流比例、δ：逆变器PWM波移相角、ε：整流桥PWM波移相角；

参数配置：

(1)ω＝2πf

式中，f为系统工作频率

(2)

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，对于一个给定的三线圈无线电能传输系统，发射线圈电流I_T和接收线圈电流I_S存在一个最优比例λ^opt使得系统效率最高，推导过程如下：

根据基尔霍夫定理，可得以下方程：

结合系统参数设定：

因此可得每个线圈上的电流表达式：

假设I_T＝λI_S

则可得：

此时，输入功率P_in、输出功率P_O为：

因此，可求出系统效率表达式：

对其求导：

可得最优电流比例：

式中：α＝(ω²M_TP ²+R_PR_T)，β＝(ω²M_TS ²+R_SR_T)，γ＝(R_Sω²M_TP ²+R_Pω²M_TS ²+R_PR_TR_S)。

在三线圈系统工作过程中，当系统负载值变化时，可通过调节电流比例至最优值，使得系统效率维持最高。

进一步地，所述最优电流比例调节过程包括以下步骤：

(1)对于电动汽车应用场合，需要维持一个恒定的充电电压，因此当三线圈无线传能负载变化时，首先需要通过调节逆变器移相角δ从而维持恒定的系统输出电压；

(2)当逆变器移相角δ被改变，逆变器输出电压V_P随之改变，导致系统各线圈电流发生改变。因此，需要调节有源整流桥移相角ε，从而维持发射线圈电流与接收线圈电流最优比值λ^opt。

进一步地，所述有源整流桥移相角ε的控制过程包括以下步骤：

(1)测量V_O；

(2)通过无线通信模块将V_O传输至原边PI控制器，并与参考电压值V_O ^*进行比较，根据测量值与参考值之间的误差得到逆变器移相角δ实际值；

(3)测量I_T与I_S；

(4)根据电流测量值计算得到其比例λ，将电流比λ与参考最优电流比λ^opt进行比较，根据测量值与参考值之间的误差得到整流桥移相角ε实际值；

(5)重复上述过程并最终达到稳态，可使三线圈无线电能传输系统在保持恒压输出的同时实现系统效率最优。

本发明在实施过程中，高频逆变器将直流输入电压V_in变换为高频交流电压，并为其后的谐振网络供电。其中，谐振补偿电容C_S的作用在于使源级线圈工作于谐振状态，避免引入无功电流，并形成与高频交流电压相同频率的高频交流电流通过源级线圈，在源级线圈周围产生高频交变磁场。发射线圈在高频交变磁场感应产生高频交流电压，同样在其周围产生高频交变磁场。接收线圈在发射线圈产生的高频交变磁场中感应产生高频交流电压，并作为等效电压源为接收端电路供电。接收端补偿电容C_R的作用在于使接收端工作于谐振状态，避免引入无功电流。输出电压通过调节逆变器移相角保持恒定，有源整流桥的作用在于当逆变器移相角发生变化时调节自身移相角从而使发射线圈与接收线圈电流比例保持在最优值，实现系统效率最优。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，其特征在于，对于一个给定的三线圈无线电能传输系统，发射线圈电流I_T和接收线圈电流I_S存在一个最优比例λ^opt使得系统效率最高，推导过程如下：

根据基尔霍夫定理，可得以下方程：

结合系统参数设定：

因此可得每个线圈上的电流表达式：

假设I_T＝λI_S

则可得：

此时，输入功率P_in、输出功率P_O为：

因此，可求出系统效率表达式：

对其求导：

可得最优电流比例：

式中：α＝(ω²M_TP ²+R_PR_T)，β＝(ω²M_TS ²+R_SR_T)，γ＝(R_Sω²M_TP ²+R_Pω²M_TS ²+R_PR_TR_S)；

在三线圈系统工作过程中，当系统负载值变化时，可通过调节电流比例至最优值，使得系统效率维持最高。

2.按照权利要求1所述的一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，其特征在于，所述最优电流比例调节过程包括以下步骤：

(1)对于电动汽车应用场合，需要维持一个恒定的充电电压，因此当三线圈无线传能负载变化时，首先需要通过调节逆变器移相角δ从而维持恒定的系统输出电压；

(2)当逆变器移相角δ被改变，逆变器输出电压V_P随之改变，导致系统各线圈电流发生改变；因此，需要调节有源整流桥移相角ε，从而维持发射线圈电流与接收线圈电流最优比值λ^opt。

3.按照权利要求2所述的一种利用最优电流比例实现三线圈WPT系统效率优化的方法，其特征在于，所述有源整流桥移相角ε的控制过程包括以下步骤：

(1)测量V_O；

(2)通过无线通信模块将V_O传输至原边PI控制器，并与参考电压值V_O ^*进行比较，根据测量值与参考值之间的误差得到逆变器移相角δ实际值；

(3)测量I_T与I_S；

(4)根据电流测量值计算得到其比例λ，将电流比λ与参考最优电流比λ^opt进行比较，根据测量值与参考值之间的误差得到整流桥移相角ε实际值；

(5)重复上述过程并最终达到稳态，可使三线圈无线电能传输系统在保持恒压输出的同时实现系统效率最优。

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