CN113904468A - 一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，包括信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈和负载；可切换线圈包含可用于无线电能传输的发射线圈，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输。控制器计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数、发射和接收功率，并选择效率系数最大的发射线圈将其用于无线电能传输，同时对发射功率进行调整。本发明的控制电路简单且损耗小，其成本低，且只需控制不同发射线圈的接入即可实现抗偏移的目标。

Description

一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法。

背景技术

随着时代的发展，电力设备的发展也日新月异，电力设备应用在各种各样复杂的场合中。传统的有线电能传输由于存在输电线路容易破损老化而产生电火花的问题，严重影响了电气设备的寿命甚至影响人们的人身安全，已经不能满足人们对于高品质生活水平的需求。磁耦合谐振传输技术具有传输功率适中、效率高、距离适中的特点，具有重要的研究价值和应用意义。

虽然无线传能有很多优点，但是在工程应用中仍存在很多问题。在许多应用场景中，例如生物医学中的生物电子设备、电动汽车、无人机和移动电子设备的充电，都需要灵活的转移位置和较高的充电效率。移动设备充电时，接收线圈偏移系统的充电效率会急剧下降，不同的充电终端由于所需功率不同，需要不同的充电平台。理想情况下，充电平台应该具有通用性，并能实现功率自适应和距离自适应。为解决移动无线充电的上述问题，许多方法被提出，例如自适应频率跟踪、阻抗匹配法、线圈结构设计。

频率跟踪技术是通过WPT/MRC系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相环等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，影响了系统的可靠性和效率，系统在水平与偏移方向上的抗偏移能力不够。

阻抗匹配法是在WPT系统中发射端加入阻抗匹配电路使以实现系统的阻抗匹配，从而来提高系统的效率，然而，单纯的阻抗匹配法也无法提高线圈之间的输电效率。

发明内容

针对现有的无线电能传输系统接收端线圈发生偏移后导致输电效率下降以及难以适应不同负载的不同功率需求的问题，本发明公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其利用信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈、负载和蓝牙模块来实现，功率放大器的内阻为R_s，其输入电压为V_s，可切换线圈包含N₀个可用于无线电能传输的发射线圈，发射线圈n的内阻为R_n，发射线圈n的补偿电容为C_n，接收线圈L_RX包含寄生电阻R_RX和补偿电容C_RX。接收线圈的电感为L_RX，负载的电阻为R_L，可切换线圈的电感为L_n。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈和测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。蓝牙模块与控制器相连。控制器包括发射端控制器和接收端控制器。

发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给发射端控制器，发射端控制器根据收到的距离，计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。

接收端控制器通过其所包含的电压表与电流表分别采集接收线圈的实时电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算接收线圈的实时接收功率P₂。接收端控制器比较实时接收功率P₂与负载额定功率P_Load，并将接收功率P₂与负载额定功率P_Load通过蓝牙模块实时发送给发射端控制器。

发射端控制器接收到蓝牙模块接发送的接收功率P₂与负载额定功率P_Load，测量发射线圈的当前发射功率P₁，计算当前的系统传输效率

计算接收功率P₂与负载额定功率P_Load的差值a＝(P₂-P_Load)，如果差值a大于0，计算当前发射端所需减少的发射功率P_a＝a*η₁，将发射线圈的发射功率减少P_a，当前发射线圈的发射功率P_new＝P₁-P_a；反之，如果差值a小于0，计算当前发射端所需增加的发射功率P_a＝a*η₁，将发射线圈的发射功率增加P_a，当前发射线圈的发射功率P_new＝P₁+P_a。

对于发射线圈n，发射端控制器计算发射线圈n与接收线圈的互感Mn，互感Mn的计算公式为：

其中，N₁、N₂分别为发射线圈n与接收线圈的每层匝数，r₁为发射线圈n的半径，r₂为接收线圈的半径，μ₀为真空磁导率，R_QN为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈n上的任意点的方位角和俯仰角，R_QN的计算公式为：

发射端控制器根据费雷拉公式计算发射线圈n的内阻R_n，其计算公式为：

R_n＝R_DC+R_AC，

式中，R_DC为发射线圈n的直流电阻，R_AC为发射线圈n的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l_w为发射线圈的铜线长度，ds为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r_s为发射线圈的铜线半径，n_s为发射线圈的铜线的数量，f_h为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率，μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比；

发射端控制器根据M_n和R_n计算γ_n，γ_n为发射线圈n的效率系数，

发射端控制器选择γ_n的最大值所对应的发射线圈，将其用于无线电能传输，n＝1，2，...，N₀。

当接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d发生变化后，发射端控制器重新计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。

本发明的有益效果为：

本发明公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，利用接收线圈与发射线圈的互感和内阻，计算其效率系数，通过使效率系数最大化，以达到抗偏移无线输电的目的，在线圈发生偏移的时实现了充电效率的最大化。

本发明的控制电路简单且损耗小，其成本低，且只需控制不同发射线圈的接入即可实现抗偏移的目标，同时可以实现在横向和纵向上同时抗偏移，并可以为不同功率等级的充电设备进行自适应充电，充电平台可以自动识别不同功率等级的充电设备，并根据当前充电功率与所需充电功率做比较，如果功率不匹配，按照预定的功率自适应算法执行流程，使不同功率等级的充电设备都可以使用该平台充电，极大的提高了充电效率。具有应用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法的实现结构图；

图2为本发明的磁耦合无线电能传输方法的线圈位置图；

图3为本发明的切换线圈流程图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。图1为本发明的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法的实现结构图；图2为本发明的磁耦合无线电能传输方法的线圈位置图；图3为本发明的切换线圈流程图。图3中，用γ₁保存为发射线圈的效率系数的最大值。

针对现有的无线电能传输系统接收端线圈发生偏移后导致输电效率下降以及难以适应不同负载的不同功率需求的问题，本发明公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，包括信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈和负载。功率放大器的内阻为R_s，其输入电压为Vs，可切换线圈包含N₀个可用于无线电能传输的发射线圈，发射线圈n的内阻为Rn，发射线圈n的补偿电容为C_n，接收线圈L_RX包含寄生电阻R_RX和补偿电容C_RX。接收线圈的电感为L_RX，负载的电阻为R_L，可切换线圈的电感为L_n。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈和测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。

发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并将测量的距离发送给发射端控制器，发射端控制器根据收到的距离，计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。

接收端控制器通过其所包含的电压表与电流表分别采集接收线圈的实时电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算接收线圈的实时接收功率P₂。接收端控制器比较实时接收功率P₂与负载额定功率P_Load，并将接收功率P₂与负载额定功率P_Load通过蓝牙模块实时发送给发射端控制器。

发射端控制器接收到蓝牙模块接发送的接收功率P₂与负载额定功率P_Load，测量发射线圈的当前发射功率P₁，计算当前的系统传输效率

计算接收功率P₂与负载额定功率P_Load的差值a＝(P₂-P_Load)，如果差值a大于0，计算当前发射端所需减少的发射功率P_a＝a*η₁，将发射线圈的发射功率减少P_a，当前发射线圈的发射功率P_new＝P₁-P_a；反之，如果差值a小于0，计算当前发射端所需增加的发射功率P_a＝a*η₁，将发射线圈的发射功率增加P_a，当前发射线圈的发射功率P_new＝P₁+P_a。

图1为本发明的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法的实现结构图。无线电能传输效率η_coil的计算公式为：

其中，γ_n为发射线圈n的效率系数，

M_n为发射线圈n与接收线圈之间的互感，ω为电流频率，根据效率公式可以得出，γ_n值越大，线圈之间效率越高。

对于发射线圈n，发射端控制器计算发射线圈n与接收线圈的互感Mn，互感Mn的计算公式为：

其中，N₁、N₂分别为发射线圈n与接收线圈的每层匝数，r₁为发射线圈n的半径，r₂为接收线圈的半径，μ₀为真空磁导率，R_QN为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈n上的任意点的方位角和俯仰角，R_QN的计算公式为：

研究两个线圈之间出现位移变化时系统的传输效率，轴向偏移d、横向偏移h。由传输效率计算公式可知，位移变化仅影响互感系数。

发射端控制器根据费雷拉公式计算发射线圈n的内阻R_n，其计算公式为：

R_n＝R_DC+R_AC，

式中，R_DC为发射线圈n的直流电阻，R_AC为发射线圈n的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l_w为发射线圈的铜线长度，d_s为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r_s为发射线圈的铜线半径，n_s为发射线圈的铜线的数量，f_h为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率，μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比，当电流频率恒定时，

为常数。因此，线圈电阻与线圈直径成正比。

发射端控制器根据M_n和R_n计算γ_n，γ_n为发射线圈n的效率系数，

发射端控制器选择γn的最大值所对应的发射线圈，将其用于无线电能传输，n＝1，2，...，N₀；

当接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d发生变化后，发射端控制器重新计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请精神和原理之内所作任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其特征在于，包括信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈、负载和蓝牙模块；可切换线圈包含N₀个可用于无线电能传输的发射线圈，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈和测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端；蓝牙模块与控制器相连；控制器包括发射端控制器和接收端控制器；

接收端控制器通过其所包含的电压表与电流表分别采集接收线圈的实时电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算接收线圈的实时接收功率P₂；接收端控制器比较实时接收功率P₂与负载额定功率P_Load，并将接收功率P₂与负载额定功率P_Load通过蓝牙模块实时发送给发射端控制器；

发射端控制器接收到蓝牙模块接发送的接收功率P₂与负载额定功率P_Load，测量发射线圈的当前发射功率P₁，计算当前的系统传输效率

计算接收功率P₂与负载额定功率P_Load的差值a＝(P₂-P_Load)，如果差值a大于0，计算当前发射端所需减少的发射功率P_a＝a*η₁，将发射线圈的发射功率减少P_a，当前发射线圈的发射功率P_new＝P₁-P_a；反之，如果差值a小于0，计算当前发射端所需增加的发射功率P_a＝a*η₁，将发射线圈的发射功率增加P_a，当前发射线圈的发射功率P_new＝P₁+P_a。

2.如权利要求1所述的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其特征在于，发射线圈n的内阻为R_n，发射线圈n的补偿电容为C_n，接收线圈L_RX包含寄生电阻R_RX和补偿电容C_RX；接收线圈的电感为L_RX，负载的电阻为R_L，可切换线圈的电感为L_n；功率放大器的内阻为R_s，其输入电压为V_s。

3.如权利要求1所述的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其特征在于，

对于发射线圈n，发射端控制器计算发射线圈n与接收线圈的互感Mn，互感Mn的计算公式为：

，其中，N₁、N₂分别为发射线圈n与接收线圈的每层匝数，r₁为发射线圈n的半径，r₂为接收线圈的半径，μ₀为真空磁导率，R_QN为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈n上的任意点的方位角和俯仰角，R_QN的计算公式为：

发射端控制器根据费雷拉公式计算发射线圈n的内阻R_n，其计算公式为：

R_n＝R_DC+R_AC，

式中，R_DC为发射线圈n的直流电阻，R_AC为发射线圈n的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l_w为发射线圈的铜线长度，d_s为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r_s为发射线圈的铜线半径，n_s为发射线圈的铜线的数量，f_h为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率,μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比；

发射端控制器根据M_n和R_n计算γ_n，γ_n为发射线圈n的效率系数，

发射端控制器选择γ_n的最大值所对应的发射线圈，将其用于无线电能传输，n＝1,2,…,N₀。

4.如权利要求1所述的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其特征在于，

当接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d发生变化后，发射端控制器重新计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。

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