CN113285531A - 基于变补偿元件参数的抗偏移ss型无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，包括高频功率电压源、发射侧谐振电容模块、电流采样模块、控制器、发射线圈、接收线圈、接收侧谐振电容和负载，高频功率电压源一个输出端、发射侧谐振电容模块、发射线圈、电流采样模块一个端口和高频功率电压源另一输出端依次相连，发射侧谐振电容模块由至少两条并联开关电容支路组成，开关电容支路由一个发射侧开关和一个发射侧谐振电容串联组成；电流采样模块另一端口连接控制器，控制器与所有发射侧开关相连，接收线圈与接收侧谐振电容相连，接收侧谐振电容与负载相连，负载与接收线圈相连。本发明具有抗偏移性能，发射侧和接受侧无需通信，结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输的技术领域，尤其是指一种基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统。
背景技术
近年来，无线电能传输技术得到了蓬勃的发展。其与传统充电方式最大的区别是充电过程中不需要物理接触。这一优良的特性使得无线电能传输技术在诸多领域都有广泛的应用，如电动汽车、便携式电子产品、生物医学植入物等。该技术可以使得充电的便捷度大大提高，同时有效的解决充电线杂乱、充电接口拔插磨损等问题。
在无线充电过程中，无线电能传输系统的发射侧线圈和接收侧线圈的偏移问题常常难以避免。线圈偏移将会导致系统的输出功率产生较大的波动，从而影响系统的效率和可靠性，情况严重时将造成系统的元器件损坏。所以，提高系统的抵抗线圈偏移的能力，使得系统能够在较宽的耦合系数范围内稳定运行，对于系统的可靠性和实用性是十分重要的。
为了提高无线电能传输系统的抗偏移能力，研究学者从优化磁耦合线圈方向考虑，分别提出了多层PCB型，双极BP型、三极TPP型和DDQ型等结构的磁耦合线圈，这些线圈结构都使得无线电能传输系统对接收侧线圈偏移的容忍度提高，但是其线圈结构复杂且对结构设计要求较高，这将会带来体积重量增大，生产制作困难等问题。
为了提高无线电能传输系统的抗偏移能力，研究学者从补偿拓扑方向考虑，分别提出了SP/S型、PS/S型、LCC/S型、S-LCC/LCC-S型、LCC-LCC/SS型和PS-PS/SS型等结构的补偿拓扑，上述的补偿拓扑的抗偏移能力随着其补偿阶数的增加而提高，但是无线电能传输系统系统的抗偏移能力对参数的敏感性较高，补偿元件越多，系统性能受到参数漂移现象的不利影响就越明显。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，当线圈发生偏移时，该方法通过自适应地改变发射侧补偿电容参数以跟踪最佳的功率输出点，实现恒功率输出，其性能完全区别于传统的定补偿元件参数的SS型无线电能传输系统，从而解决了传统SS型无线电能传输系统在线圈发生偏移时，系统的输出功率波动较大的问题。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，所述系统包括高频功率电压源、发射侧谐振电容模块、电流采样模块、控制器、发射线圈、接收线圈、接收侧谐振电容和负载，所述高频功率电压源的一个输出端、发射侧谐振电容模块、发射线圈、电流采样模块的一个端口和高频功率电压源的另一个输出端依次相连，所述发射侧谐振电容模块由至少两条并联的开关电容支路组成，所述开关电容支路均由一个发射侧开关和一个发射侧谐振电容串联组成；所述电流采样模块的另一个端口与控制器相连，所述控制器与所有的发射侧开关相连，控制每个发射侧开关的开通和关断；所述接收线圈与接收侧谐振电容相连，所述接收侧谐振电容与负载相连，所述负载与接收线圈相连；通过控制发射侧开关的开通和关断，改变发射侧谐振电容的参数，从而实现增大负载的恒功率充电面积，即提升抗偏移性能。
进一步，所述发射侧谐振电容模块中实际连接在发射侧电路中的谐振电容值应满足：
其中C1为实际连接在发射侧电路中的谐振电容值，L1为发射线圈的自感值，ω为系统的角频率，a2为失谐率，满足
其中参数A＝(ωL1)2，参数B＝R1(R2+RL)，参数C＝(R2+RL)2，R1为发射线圈的内阻值，R2为接收线圈的内阻值，RL为负载的电阻值，k1为发射线圈和接收线圈正对时两线圈的耦合系数值，k2为发射线圈和接收线圈偏移时两线圈的耦合系数值，a1为初始失谐率，其值在0到1之间。
进一步，在高频功率电压源工作频率fc下，所述接收线圈和接收侧谐振电容组成串联谐振电路，其满足
其中L2为接收线圈的自感值，C2为接收侧谐振电容的电容值，ω为系统的角频率，满足ω＝2πfc，所述接收线圈和接收侧谐振电容组成的串联谐振电路在工作频率fc下等效阻抗为0。
进一步，所述发射侧谐振电容模块中的开关电容支路的数量值根据系统所需满足的性能指标进行动态调整，其值为大于或者等于2的正整数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明可以自适应地改变发射侧补偿电容参数以跟踪最佳的功率输出点，在线圈发生偏移时，实现恒功率输出，从而解决了传统SS型无线电能传输系统在线圈发生偏移时，系统的输出功率波动较大的问题。
2、本发明控制结构简单，只需要采集发射侧的电流值，而不需要采集任何接收侧的信息，不需要发射侧和接收侧进行通信，即不需要通信模块，从而降低了系统的复杂度。
3、本发明实际接入电路中的补偿元件个数少，受到参数偏移影响的效果小，在实际生产生活环境中输出更稳定。
附图说明
图1为本发明系统的电路原理图。
图2为本发明系统的高频功率电压源的输出电压仿真波形图。
图3为本发明系统的发射侧等效电路图。
图4为本发明系统的输出功率随耦合系数变化的理论曲线图。
图5为本发明系统的线圈在完全对准时，负载电流的仿真波形图。
图6为本发明系统的线圈在偏移时，负载电流的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本实施例所提供的基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，包括高频功率电压源、发射侧谐振电容模块I、电流采样模块、控制器、发射线圈、接收线圈、接收侧谐振电容和负载，所述高频功率电压源的一个输出端、发射侧谐振电容模块I、发射线圈、电流采样模块的一个端口和高频功率电压源的另一个输出端依次相连，所述发射侧谐振电容模块I由至少两条并联的开关电容支路组成，所述开关电容支路均由一个发射侧开关和一个发射侧谐振电容串联组成；所述电流采样模块的另一个端口与控制器相连，所述控制器与所有的发射侧开关相连，控制每个发射侧开关的开通和关断；所述接收线圈与接收侧谐振电容相连，所述接收侧谐振电容与负载相连，所述负载与接收线圈相连；通过控制发射侧开关的开通和关断，改变发射侧电容的参数，可以实现增大负载的恒功率充电面积，即提升抗偏移性能。
发射侧谐振电容模块I中的开关电容支路的数量值可根据系统所需满足的性能指标进行动态调整，其值可为大于或者等于2的正整数。
发射侧谐振电容模块中实际连接在发射侧电路中的谐振电容值应满足：
其中C1为实际连接在发射侧电路中的谐振电容值，L1为发射线圈的自感值，ω为系统的角频率，a2为失谐率，满足
其中参数A＝(ωL1)2，参数B＝R1(R2+RL)，参数C＝(R2+RL)2，R1为发射线圈的内阻值，R2为接收线圈的内阻值，RL为负载的电阻值，k1为发射线圈和接收线圈正对时两线圈的耦合系数值，k2为发射线圈和接收线圈偏移时两线圈的耦合系数值，a1为初始失谐率，其值在0到1之间。
其中高频功率电源输出一个200kHz的方波交流电，占空比为0.5，具体仿真波形如图2所示。
在高频功率电压源工作频率200kHz下，所述接收线圈和接收侧谐振电容组成串联谐振电路，其满足
其中L2为接收线圈的自感值，C2为接收侧谐振电容的电容值，ω为系统的角频率，满足ω＝2π·200kHz，所述接收线圈和接收侧谐振电容组成的串联谐振电路在工作频率200kHz下等效阻抗为0。
将接收侧阻抗折算到发射侧，可得如图3所示的抗偏移SS型无线电能传输系统的发射侧等效电路图，在图3中，L1表示发射侧线圈的电感，R1表示发射侧线圈的内阻，C1表示发射侧补偿电容，Zl为接收侧对发射侧的引入阻抗。
Zl的表达式为：
由互感定理可知，耦合系数k与互感的关系满足式：
在本系统中，发射侧补偿电容C1不完全补偿原边电感L1，即L1和C1处于失谐状态，并且采用电容欠补偿，使补偿后一次侧部分成感性，这样有助于逆变器开关管实现软开关。
为了简化分析，将L1和C1等效成为一个电感La，两者之间满足如下关系：
为方便理解计算，引入失谐率a，失谐率a的定义为：
La＝a·L1
补偿电容C1与a的关系如下：
对图3所示的发射侧等效电路运用基尔霍夫电压定理，便可得到WPT系统的输出功率表达式：
式中，Uin为高频功率电压源的电压值。
公式(2)中很难看出磁耦合机构间的耦合系数对系统功率Po之间的关系，将反射阻抗Zl的值代入式(2)中，可以得到输出功率的具体表达式如下：
式(3)为一次侧失谐时输出功率的表达式，若使失谐率a的值为0，则式(3)则变化为完全调谐时的输出功率表达式，所以公式(3)的表达式具有一般性。
当一次侧和二次侧线圈完全对准时，设它们之间的耦合系数为k1，此时线圈间的耦合系数最大，令此时WPT系统的一次侧失谐率为a1；当一次侧和二次侧线圈处于偏移状态时，设它们之间的耦合系数为k2，令此时WPT系统的一次侧失谐率为a2。
磁耦合机构完全对准情况下和偏移状态下的输出功率Po和Po'的表达式为：
在式(4)中，A＝L1L2；B＝RL+R2。
为使偏移时WPT系统的输出功率仍能保持稳定，令Po'＝Po，便可得到偏移时的失谐率a2的约束条件：
在式(5)中A＝(ωL1)2,B＝R1(R2+RL),C＝(R2+RL)2。
选取200kHz方波交流电的幅值为50V。
选取发射线圈的电感值L1的值为20μH。
选取接收线圈的电感值L2的值为20μH。
选取等效交流负载RL的值为5Ω。
选取发射线圈的内阻值为0.1Ω。
选取接收线圈的内阻值为0.1Ω。
选取的初始失谐率的值为0.206。
设定的工作区间为耦合系数k从0.12变化到0.35。
耦合系数k从0.12变化到0.35时，通过公式(5)可以计算出：失谐率a2的变化范围为0.206-0.337，其变化范围的区间长度为0.131。
对于图3所示的电路图，使用基尔霍夫电压定理并结合反射阻抗Zl的具体表达式，可得：
式(6)中，I1输入电流的有效值。
对式(6)的左右两项同时取模并且平方。
再将I1移到等号左边，可以得到式(7)：
用
对式(7)中的互感M进行替换。
对式(7)进行整理，最终可得到输入电流的有效值与耦合系数k的表达式：
在式(8)中，A＝ω2L1 2；B＝(RL+R2)；C＝ω2L1L2。
基波交流电压Uin可以通过给定的发射侧输入电压Udc计算得到，可不用对Uin进行采样，采样环节更简单。
只需要对发射侧电流进行采样，并计算出其有效值I1，然后根据式(8)计算出耦合系数k,便可计算得到此时需要的补偿电容C1的值，进而通过控制器实现补偿电容C1的自适应切换。
使用Matlab数值仿真软件对上述的无线电能传输系统进行数值仿真，可以得到如图4所示的在预期的耦合系数区间内的输出功率特性曲线。其中当耦合系数k＝0.35时，此时线圈完全对准，不存在偏移现象，此时输出功率为148.88W，当线圈偏移时，耦合系数在0.12-0.35时，输出功率都保持恒定，故证明该无线电能传输系统的参数设计能够满足设计要求。
当线圈完全对准时，此时耦合系数k＝0.35，线圈间的互感M＝7μH，此时系统的仿真波形图如图5所示，可以看到无线电能传输系统的负载电流IRL呈正弦波，此时系统输出功率Po为148.88W。
当线圈偏移最大时时，此时耦合系数k＝0.12，线圈间的互感M＝2.4μH，此时系统的仿真波形图如图6所示，可以看到无线电能传输系统的负载电流IRL呈正弦波，此时系统输出功率Po为148.88W。
上述仿真结果表明该基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统能够满足预期目的，可以实现在线圈偏移时实现恒功率输出，这与传统的SS型无线电能传输系统存在较大差异，本发明的优点显而易见，值得推广。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括高频功率电压源、发射侧谐振电容模块、电流采样模块、控制器、发射线圈、接收线圈、接收侧谐振电容和负载，所述高频功率电压源的一个输出端、发射侧谐振电容模块、发射线圈、电流采样模块的一个端口和高频功率电压源的另一个输出端依次相连，所述发射侧谐振电容模块由至少两条并联的开关电容支路组成，所述开关电容支路均由一个发射侧开关和一个发射侧谐振电容串联组成；所述电流采样模块的另一个端口与控制器相连，所述控制器与所有的发射侧开关相连，控制每个发射侧开关的开通和关断；所述接收线圈与接收侧谐振电容相连，所述接收侧谐振电容与负载相连，所述负载与接收线圈相连；通过控制发射侧开关的开通和关断，改变发射侧谐振电容的参数，从而实现增大负载的恒功率充电面积，即提升抗偏移性能。
2.根据权利要求1所述的基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述发射侧谐振电容模块中实际连接在发射侧电路中的谐振电容值应满足：
其中C1为实际连接在发射侧电路中的谐振电容值，L1为发射线圈的自感值，ω为系统的角频率，a2为失谐率，满足
其中参数A＝(ωL1)2，参数B＝R1(R2+RL)，参数C＝(R2+RL)2，R1为发射线圈的内阻值，R2为接收线圈的内阻值，RL为负载的电阻值，k1为发射线圈和接收线圈正对时两线圈的耦合系数值，k2为发射线圈和接收线圈偏移时两线圈的耦合系数值，a1为初始失谐率，其值在0到1之间。
3.根据权利要求1所述的基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，其特征在于：在高频功率电压源工作频率fc下，所述接收线圈和接收侧谐振电容组成串联谐振电路，其满足
其中L2为接收线圈的自感值，C2为接收侧谐振电容的电容值，ω为系统的角频率，满足ω＝2πfc，所述接收线圈和接收侧谐振电容组成的串联谐振电路在工作频率fc下等效阻抗为0。
4.根据权利要求1所述的基于变补偿元件参数的抗偏移SS型无线电能传输系统，其特征在于：所述发射侧谐振电容模块中的开关电容支路的数量值根据系统所需满足的性能指标进行动态调整，其值为大于或者等于2的正整数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210820 |
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