CN113054758A - 一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统。该系统包括最大电流选取模块和多个并联的无线电能传输通道，每个所述无线电能传输通道包括控制模块和无线电能传输模块，所有所述无线电能传输模块的输出端接同一负载；所述最大电流选取模块用于确定所有所述无线电能传输模块的接收回路的电流最大值，每个所述控制模块用于根据自身对应的无线电能传输模块的接收回路电流、负载端电压和所述电流最大值输出控制信号，使得所有所述无线电能传输模块的输出功率均衡和负载端电压恒定。本发明的多通道无线电能传输系统在实现多通道功率均衡的前提下，还实现了负载端输出电压的稳定。

Description

一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统。

背景技术

近年来，无线电能传输技术因其独特的传输优势成为当下国内外研究的热点课题，磁耦合谐振式无线电能传输技术以其在近场区传输的自身优势成为当前最为热门的无线电能传输方式之一。磁耦合谐振式无线电能传输技术传输距离可以从十几厘米到几米，传输功率可以从几十瓦到几千瓦，最大传输效率可超过90％，从各个方面都具有比较明显的优势，因此成为当下无线电能传输领域最为热门的研究方向。利用磁耦合谐振式无线电能传输进行无线电能传输可以有效地解决传统供电方式的多种缺陷，使用电设备摆脱电缆束缚成为了可能，为人们的生活带来了极大的便利。磁耦合谐振式无线电能传输技术的进一步发展将使人类在电能应用方面有更大的灵活性和多样性。

多个通道的无线电能传输系统能够实现更大功率的传输。无线电能传输的用途越来越广泛，技术也越来越完善，但当其涉及到多个通道的无线电能传输设备并联运行时还是会出现诸多问题，最主要的问题就是各个通道因为元器件本身的问题导致各个参数之间的差异无法避免。而通道参数的差异，除了影响总的输出功率，还会导致各通道输出功率的不同。严重时，功率可能集中于某几个或某个通道，从而影响系统的整体寿命。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，在实现多通道功率均衡的前提下，还实现了负载端输出电压的稳定。

为实现上述目的，本发明提供了一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，包括最大电流选取模块和多个并联的无线电能传输通道，每个所述无线电能传输通道包括控制模块和无线电能传输模块，所有所述无线电能传输模块的输出端接同一负载；

所述最大电流选取模块用于确定所有所述无线电能传输模块的接收回路的电流最大值，每个所述控制模块用于根据自身对应的无线电能传输模块的接收回路电流、负载端电压和所述电流最大值输出控制信号，所述控制信号用于控制该无线电能传输模块的输出，使得所有所述无线电能传输模块的输出功率均衡和负载端电压恒定。

优选的，每个所述无线电能传输模块包括全桥逆变器，所述控制信号为移相控制信号，所述移相控制信号用于控制所述全桥逆变器输出的交流电压的基波幅值。

优选的，每个所述全桥逆变器包括第一IGBT器件、第二IGBT器件、第三IGBT器件和第四IGBT器件，其中，所述第一IGBT器件与所述第二IGBT器件之间的移相角始终保持180°的相位差，所述第三IGBT器件和所述第四IGBT器件之间的移相角始终保持180°的相位差，所述移相控制信号用于控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角。

优选的，若所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角增大，则所述全桥逆变器所在的无线电能传输通道的接收回路的电流增大。

优选的，所述移相控制信号满足：

若该无线电能传输通道的接收回路电流与所述电流最大值存在差值，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角增大；

若该无线电能传输通道的接收回路电流与所述电流最大值的差值为零，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角不变；

若该无线电能传输通道的负载电压大于预设电压，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角减小；

若该无线电能传输通道的负载电压小于预设电压，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角增大；

若该无线电能传输通道的负载电压等于预设电压，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角不变。

优选的，所述控制模块包括：中央处理器、用于采集接收回路电流的电流检测模块和用于采集负载电压的电压检测单元，所述中央处理器用于根据所述电流最大值、所述电流检测模块的采集信号和所述电压检测单元的采集信号来输出所述控制信号。

优选的，将所述最大电流选取模块选出的最大电流信号记为I_max，将所述负载端电压记为U,负载端设计的额定电压记为U_ref，将第n个所述无线电能传输通道的接收回路电流记为I_n，第n个所述无线电能传输通道的所述中央处理器输出所述控制信号包括步骤：

计算获得电流信号I_max和I_n的差值，记为ΔI_n；

将差值ΔI_n乘上一个与负载相关的比例系数K得到一个电压偏差修正值，记为ΔU_n1；

计算额定电压U_ref和负载端电压U的电压偏差，记为ΔU_n2；

计算电压偏差修正值ΔU_n1与电压偏差ΔU_n2的和，记为ΔU_n；

根据ΔU_n输出所述控制信号。

优选的，所述最大电流选取模块包括均流控制母线和多个并联的二极管，每个所述二极管的正极分别与一个所述无线电能传输通道的输出端连接，每个所述二极管的负极均与所述均流控制母线连接。

总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：可以实现多通道无线电能传输中的功率自均衡，从而使整体系统工作状态更稳定、安全，可以避免某个或某几个通道分配到绝大部分功率导致的严重发热问题，可以延长整个系统的工作寿命。该无线电能传输系统中各个通道都包含实现负载电压闭环控制的控制模块，能够实现维持输出负载端电压稳定的功能，同时又通过最大电流选取模块和控制模块，进行最大电流自动均流，在各个通道输出电压相等的情况下，根据各个通道接收回路电流的差异，调整期望电压与实际电压的差值，使输出电流一致，就可以实现各通道的功率均衡。

附图说明

图1是本发明实施例的多通道无线电能传输系统的控制原理示意图；

图2是本发明实施例的多通道无线电能传输系统的电路框图；

图3是本发明实施例的无线电能传输模块的电路图；

图4是本发明实施例的最大电流选取原理电路图；

图5是本发明实施例的全桥逆变器移相控制电路图；

图6是本发明实施例的双线圈的磁耦合谐振式无线电能传输装置示意图

图7是本发明实施例的双线圈的磁耦合谐振式无线电能传输装置的接收端阻抗等效图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统的控制目标包含了两个方面的内容，一个是输出端负载电压稳定，另一个是各个通道的功率均衡。为了实现输出端负载电压的稳定，在控制结构上设计了实现负载电压闭环的控制模块；同时为了实现各个通道的功率均衡，又通过最大电流选取模块和控制模块，进行最大电流自动均流，在各个通道输出端都接在同一负载上输出电压相等的情况下，根据各个通道接收回路的电流情况，调整期望电压与实际电压的差值，使输出电流一致，实现功率均衡。系统的控制原理示意图如图1所示。

本发明实施例的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，包括最大电流选取模块和多个并联的无线电能传输通道，每个无线电能传输通道包括控制模块和无线电能传输模块，所有无线电能传输模块的输出端接同一负载。

最大电流选取模块用于确定所有无线电能传输模块的接收回路的电流最大值，每个控制模块用于根据自身对应的无线电能传输模块的接收回路电流、负载端电压和电流最大值输出控制信号，控制信号用于控制该无线电能传输模块的输出，使得所有无线电能传输模块的输出功率均衡和输出电压恒定。

优选的，每个无线电能传输模块包括全桥逆变器，控制信号为移相控制信号，移相控制信号用于控制全桥逆变器输出的交流电压的基波幅值。也可以采用其他任何能够调整线圈输入端交流电压基波幅值的开关器件的控制方法，例如半桥逆变器的PWM控制方式。

如图2所示，以包括3个并联的无线电能传输通道为例，多通道无线电能传输系统包括最大电流选取模块，然后是多个相同的无线电能传输通道，最后多个通道并联接同一负载。每个通道的电路结构上包含三个部分。

首先是输入端的控制模块部分，主要负责将采集到的输出端负载电压信号和相应通道的电流信号、以及最大电流选择模块得到的最大电流作为输入信号输入控制器，然后通过计算得到控制输出量去控制无线电能传输端全桥逆变器的导通移相角。

双线圈耦合模块主要是双线圈磁耦合的结构，发送端由直流源接全桥逆变器，再接补偿电容和发送线圈，接收端由接收线圈接补偿电容，如图2中间部分所示，具体电路图如图3所示。

最后是输出端整流电路，然后与负载相连，如图2右边部分所示。

下面具体说明每个模块的优选实现方案。

最大电流选择模块的原理电路图如图4所示，利用的是二极管并联导通的原理。母线上的电流即为所需最大电流信号。具体工作原理是：每一路的采集电流都会通过一个二极管与均流控制母线相连，即形成多个二极管并联的结构。电流最大的通路的二极管，电流信号采集侧的电势最高，由二极管并联的导通原理，此时只有最大电流通路与母线导通。

控制模块包括电压采集器件，电流采集器件和中央处理器MCU，实现的功能是采集负载端电压和每个通道的电流信号，然后将信号送入MCU计算得到发送端全桥逆变器的移相控制信号。

为了实现负载端电压信号的采集，设计电压采集模块。假设负载端的期望电压为500V，负载为30Ω，正常工作状态下的最大电压不会超过600V。设计电压采集电路，先将0-600V范围内变化的负载端电压经过119KΩ和1KΩ电阻分压后，得到1KΩ电阻上0-5V变化范围的电压，再通过OPA171芯片构建一个电压保持器，其输出端电压仍为0-5V。

而电流信号的采集可通过ACS712ELC-20A芯片来完成，该芯片基于霍尔效应对电流的大小进行检测，检测量程可达20A，完全能够满足系统正常工作的要求。

为了实现模块的控制功能，选定MCU类型为STM32F4系列芯片。由于STM32F4系列芯片中内置有ADC模块，且可接受的电压范围在0-5V之间，因此可直接将电压采集电路中的电压保持器输出端的0-5V电压接入STM32F4芯片对应ADC的管脚，经过MCU的离散采样后再将电压值减去零漂，乘上倍率即可得到真实的负载两端的电压。实际使用时，可以测量输入采样通道的电压值大小，然后在MCU中得到对应的数字量，采集若干组数据后，可通过数据拟合得到零漂和倍率的大小。

系统控制结构框图如图1所示，将最大电流选择模块选出的最大的电流信号记为I_max，然后将采集到的负载端电压信号记为U,额定电压500V记为U_ref，将第n个通道的输出电流记为I_n。对于第n个通道的控制实现，先将I_max和I_n作差得到该通道输出电流和最大输出电流的差值ΔI_n＝I_max-I_n，将该差值乘上一个与输出端负载相关的比例系数K得到一个电压偏差修正值ΔU_n1＝KΔI_n。再将该修正值与输出电压和实际采集到的负载端电压信号的偏差ΔU_n2＝U_ref-U，相加得到修正后负载电压的误差ΔU_n＝ΔU_n1+ΔU_n2，将该误差输入PI控制器中进行计算，输出控制量——全桥逆变器的移相角。通过改变全桥逆变器的移相角，可以改变全桥逆变器逆变后的交流电压的基波幅值，从而改变接收回路的交流电流，再经过整流器变换后得到的直流电流也随之改变，在使输出端电压稳定的同时，实现各个通道的功率均衡，形成一个电压闭环控制回路以及最大电流自动均流法的闭环控制回路。

具体地，通过PI控制算法来实现根据ΔU_n输出控制量——移相角，ΔU_n作为控制器的输入，移相角为控制器的输出。

e_i＝ΔU_n1+ΔU_n2＝ΔU_n

其中K_p，T_i分别表示比例，积分参数；θ_i表示全桥逆变器的移相角。具体参数为控制器设计方面的内容，根据实际情况进行设计。

无线电能传输模块，包括全桥逆变器模块、双线圈耦合模块和接收端整流模块。双线圈耦合模块为磁耦合谐振式无线电能传输模块。经过电压闭环控制以及最大电流自动均流控制模块的控制后，得到了全桥逆变器的移相角作为控制量，将直流电经过全桥逆变器变为交流电，再经过无线电能传输线圈传输到接收端，接收端经整流模块将接收到的交流电转换为直流电后接入负载端，通过改变各通道全桥逆变器的移相角则可以改变各通道接收回路的电流。

其中实现移相控制的全桥逆变器设计电路共由四个IGBT组成，分别命名为VT1、VT2、VT3和VT4，如图5所示。其中VT1与VT2，VT3与VT4之间的移相角始终保持180°的相位差，当VT1与VT3的移相角相同时，交流端输出电压为零，而当VT1和VT3的移相角之间的相位差(即控制开关器件的驱动信号的相位差)逐渐增大时，输出的交流电压也逐渐增大，即双线圈的发送端电压增加，在其他条件不变的情况下，接收端线圈感生的交流电压也会增加，接收回路的电流也就越大。因此，可通过调节全桥逆变器的移相角来改变全桥逆变器逆变后的交流电压的基波幅值，继而改变各通道接收回路的电流达到调整各通道的功率的目的。

全桥逆变器的移相角通过移相控制信号来控制，移相控制信号满足：

若该无线电能传输通道的接收回路电流与电流最大值存在差值，则移相控制信号控制第一IGBT器件与第三IGBT器件之间的移相角增大；

若该无线电能传输通道的接收回路电流与电流最大值的差值为零，则移相控制信号控制第一IGBT器件与第三IGBT器件之间的移相角不变；

若该无线电能传输通道的负载电压大于预设电压，则移相控制信号控制第一IGBT器件与第三IGBT器件之间的移相角减小；

若该无线电能传输通道的负载电压小于预设电压，则移相控制信号控制第一IGBT器件与第三IGBT器件之间的移相角增大；

若该无线电能传输通道的负载电压等于预设电压，则移相控制信号控制第一IGBT器件与第三IGBT器件之间的移相角不变。

最终移相控制信号是根据无线电能传输通道的接收回路电流与电流最大值的差值、无线电能传输通道的负载电压与预设电压的差值综合计算控制量，来控制移相角的改变。后文会以具体示例来说明。

双线圈磁耦合谐振式无线电能传输模块包括发射端和接收端线圈以及补偿电容。接收端线圈与补偿电容串联后与整流模块相连，然后整流模块与负载相连。

对于传统两线圈无线电能传输系统，设接收端的负载大小为R_L，接收回路寄生电阻大小为R₂，接收端的电感大小为L₂，接收端的电容大小为C₂，将接收端的电路总的阻抗

通过互感M映射到发送端源边，表示为

传统两线圈无线电能传输系统示意图如图6所示，等效后的示意图如图7所示。发射端交流电，即全桥逆变器的输出电压，设为U，发送回路寄生电阻大小为R₂，发送端的电感大小为L₁，发送端的电容大小为C₁，则该通道的电流

所以，本发明通过改变各通道全桥逆变器的移相角就能够改变全桥逆变器的输出电压，继而改变各通道的电流大小。又因为各个通道是在接收端的整流模块后并联到同一负载，整流后的输出直流电压通过闭环控制调整为一固定电压值，故多个通道的总电流值应为一固定值，调整其中任意通道电流其它通道电流也会得到调整。在多路输出接同一负载电压相等的情况下，调整电流大小相等就能够实现功率均衡。

下面说明功率均衡工作原理。在整个系统中，通过负载端电压的反馈闭环控制实现对于不同负载的变化的适应，同时通过最大电流均流法修正不同通道的负载端电压闭环的偏差值的大小来实现功率均衡控制。如上述步骤所述，在实现最大电流自动均流控制的流程中，首先在各通道中选择最大的输出电流，再和其余各通道的输出电流作差，即得到了每个通道输出电流和最大输出电流的差值ΔI_n。上述内容中已经提到，所有的通道都是并联在同一个负载上，因此所有通道的实际检测到的负载电压都相同，而ΔI_n越大带来的影响就是修正后的负载电压误差ΔU会增大，输入PI控制器的误差增大，输出PI控制器的控制量——全桥逆变器的移相角也会增大，从而使得该通道的输出电流增加，向最大输出电流靠近。再其余通道输出电流增加时，会导致负载上的电压也随之增加，而超过负载电压的额定电压U_ref，对于原本是最大输出电流的通道来说，ΔI＝0，U_{ref_n}＝U_ref，所以期望输出电压和实际采集到的负载端电压信号作差，得到负载电压的误差ΔU为负值，输入到PI控制器中带来的影响是使得该通道全桥逆变器的移相角减小从而输出电流也减小。这样，最大输出电流所在的通道输出电流减小，而其余通道的输出电流增加，直到原本具有最大输出电流的通道的输出电流不再是最大，有新的最大输出电流通道出现。重复采集电压电流、选取最大电流值、计算、输出控制信号，最终负载电压会在闭环控制作用下稳定到设定值，同时所有通道的输出电流趋于一致，所有通道的功率也达到了均衡。

从计算的角度分析，所有通道的电压设定值都为U，假设第n各通道中输出回路的电流为I_n，最大电流为I_max，二者差值ΔI_n＝I_max-I_n，电流正修正系数K，在功率均衡前通道的输出功率

此时输出端负载电压不能稳定在U，而是比U略大，即使有ΔI_n修正值的通道使电压稳定到一个非U值，ΔI_n修正值为0的最大电流通道也会朝减小ΔI_n的方向调整。在控制器的作用下，ΔI_n将会不断趋于0，负载电压稳定到设定值U，而最终每个通道的功率都会是趋于P_n＝UI_max，也就实现了功率均衡。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，包括最大电流选取模块和多个并联的无线电能传输通道，每个所述无线电能传输通道包括控制模块和无线电能传输模块，所有所述无线电能传输模块的输出端接同一负载；

所述最大电流选取模块用于确定所有所述无线电能传输模块的接收回路的电流最大值，每个所述控制模块用于根据自身对应的无线电能传输模块的接收回路电流、负载端电压和所述电流最大值输出控制信号，所述控制信号用于控制该无线电能传输模块的输出，使得所有所述无线电能传输模块的输出功率均衡和负载端电压恒定。

2.如权利要求1所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，每个所述无线电能传输模块包括全桥逆变器，所述控制信号为移相控制信号，所述移相控制信号用于控制所述全桥逆变器输出的交流电压的基波幅值。

3.如权利要求2所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，每个所述全桥逆变器包括第一IGBT器件、第二IGBT器件、第三IGBT器件和第四IGBT器件，其中，所述第一IGBT器件与所述第二IGBT器件之间的移相角始终保持180°的相位差，所述第三IGBT器件和所述第四IGBT器件之间的移相角始终保持180°的相位差，所述移相控制信号用于控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角。

4.如权利要求3所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，若所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角增大，则所述全桥逆变器所在的无线电能传输通道的接收回路的电流增大。

5.如权利要求3所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，所述移相控制信号满足：

若该无线电能传输通道的接收回路电流与所述电流最大值存在差值，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角增大；

若该无线电能传输通道的接收回路电流与所述电流最大值的差值为零，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角不变；

若该无线电能传输通道的负载电压大于预设电压，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角减小；

若该无线电能传输通道的负载电压小于预设电压，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角增大；

若该无线电能传输通道的负载电压等于预设电压，则所述移相控制信号控制所述第一IGBT器件与所述第三IGBT器件之间的移相角不变。

6.如权利要求1所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，所述控制模块包括：中央处理器、用于采集接收回路电流的电流检测模块和用于采集负载电压的电压检测单元，所述中央处理器用于根据所述电流最大值、所述电流检测模块的采集信号和所述电压检测单元的采集信号来输出所述控制信号。

7.如权利要求6所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，将所述最大电流选取模块选出的最大电流信号记为I_max，将所述负载端电压记为U，负载端设计的额定电压记为U_ref，将第n个所述无线电能传输通道的接收回路电流记为I_n，第n个所述无线电能传输通道的所述中央处理器输出所述控制信号包括步骤：

计算获得电流信号I_max和I_n的差值，记为ΔI_n；

将差值ΔI_n乘上一个与负载相关的比例系数K得到一个电压偏差修正值，记为ΔU_n1；

计算额定电压U_ref和负载端电压U的电压偏差，记为ΔU_n2；

计算电压偏差修正值ΔU_n1与电压偏差ΔU_n2的和，记为ΔU_n；

根据ΔU_n输出所述控制信号。

8.如权利要求1所述的一种实现功率自均衡的多通道无线电能传输系统，其特征在于，所述最大电流选取模块包括均流控制母线和多个并联的二极管，每个所述二极管的正极分别与一个所述无线电能传输通道的输出端连接，每个所述二极管的负极均与所述均流控制母线连接。

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