CN114069886A - 一种一对多无线电能传输系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种一对多无线电能传输系统及其控制方法，包括功率变换器、原边补偿电路、传输线圈、副边补偿电路组、整流电路、数据传输模块、无线数据传输模块和控制器；功率变换器、原边补偿电路、传输线圈、副边补偿电路组和整流电路依次连接，整流电路连接有负载，负载通过数据传输模块连接无线数据传输模块，无线数据传输模块连接控制器；控制器输出八路PWM信号，其中四路控制功率变换器，另外四路控制原边补偿电路。本发明利用磁耦合谐振技术，通过逆变器运行频率的切换实现同特定接收线圈的能量耦合，从而完成电能的选择性无线传输。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，特别涉及一种一对多无线电能传输系统及其控制方法。
背景技术
无线电能传输的概念很早就已经提出，多年的研究发展已经给这一研究领域带来了诸多成果。随着用电设备的种类和数量不断增多，多目标无线电能传输的需要也愈加明显。传统无线电能传输系统通常为一对一的能量传输，如果需要实现对多目标的选择性能量传输就必须增加原边的高频功率变换器和发射线圈及其补偿网络等相关电路或设备。这样一方面会显著增加系统的体积和成本，同时也增加了协同控制的复杂性，限制了多目标无线电能传输技术的应用。
现有的一对多无线电能传输系统多采用电容阵列的方式来实现补偿网络参数的调整，这种实现方式需要多个开关器件和电容器件进行组合，系统体积大，且仅能实现有限数量的运行点，无法实现电容值的连续调整，在实际应用过程中不利于系统参数的整定和系统运行中的动态调整。从而导致系统无法维持预计的恒流恒压输出特性，甚至降低系统的运行效率和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一对多无线电能传输系统及其控制方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种一对多无线电能传输系统，包括功率变换器、原边补偿电路、传输线圈、副边补偿电路组、整流电路、数据传输模块、无线数据传输模块和控制器；功率变换器、原边补偿电路、传输线圈、副边补偿电路组和整流电路依次连接，整流电路连接有负载，负载通过数据传输模块连接无线数据传输模块，无线数据传输模块连接控制器；控制器输出八路PWM信号，其中四路控制功率变换器，另外四路控制原边补偿电路。
进一步的，功率变换器包括四个功率开关器件，四个功率开关器件分为两组并联在外部电源上。
进一步的，原边补偿电路包括一个电感组件和两个电容组件；一个电感组件和两个电容组件构成的LCC结构电路，LCC结构电路连接在两组功率开关器件上；电容组件为开关电容电路。
进一步的，开关电容电路包括两个功率开关器件和一个电容器件，两个功率开关器件的源极相连，漏极分别与电容器件两端相连。
进一步的，控制器输出八路PWM信号，其中四路分别控制构成全桥逆变器的四个功率开关器件；另外四路分为两组，分别控制两组构成开关电容的功率开关器件。
进一步的，传输线圈包括发射线圈和若干接收线圈；发射线圈连接在两个电容组件上，若干接收线圈并排设置。
进一步的，副边补偿电路组为S结构补偿电路，包括若干个副边补偿电路，每个副边补偿电路包括一个副边电容组件；每个副边补偿电路对应一个接收线圈，不同接收线圈和其补偿电路的电容器对应的谐振频率不同。
进一步的，整流电路包括若干二极管整流桥和电容，二极管整流桥的个数和接收线圈个数相匹配，每个二极管整理桥后均并联有电容，形成全桥不控整流。
进一步的，一种一对多无线电能传输系统的控制方法，包括以下步骤：
确定各个接收线圈的谐振频率，控制器控制功率变换器工作在某一接收线圈的谐振频率，同时控制器控制原边补偿网络中的两组开关电容使其等效电容值满足特定阻抗要求，此时发射线圈与该接收线圈实现磁谐振耦合，实现电能的选择性传输；
该接收线圈将接收到的交流电经二极管全桥不控整流后变为直流电为负载提供能量，无线数据传输模块将采样到的副边直流输出电压传送回原边的控制器，控制器根据电压反馈值调整输出的PWM信号，使副边直流输出电压跟随控制器的电压给定值，实现电压闭环控制；
当系统需要改变无线电能传输的接收线圈时，控制器将运行频率切换为目标接收线圈的谐振频率，同时开关电容的控制信号使等效电容值满足特定阻抗要求，且使得发射线圈对不同接收线圈的电压传输增益保持一致，实现无线电能传输目标的切换。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用磁耦合谐振技术，通过逆变器运行频率的切换实现同特定接收线圈的能量耦合，从而完成电能的选择性无线传输。同时改进了使补偿电路达到磁耦合谐振状态的方法，通过开关电容电路代替先有的电容阵列方案，实现了更大范围内补偿电路参数的动态调整，保证了无线电能传输系统的电压、电流传输特性。实现了传输目标和传输能量的都可控的无线电能传输。
附图说明
图1为本发明实例1的结构示意图。
图2为本发明实例1的等效电路图。
其中：1、功率变换器；2、原边补偿电路；3、传输线圈；4、副边补偿电路；5、整流电路；6、负载；7、控制器；8、无线数据传输模块；101、功率开关器件；21、电感组件；22、电容组件；31、发射线圈；32、接收线圈；41、副边电容组件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1和图2，一种一对多无线电能传输系统及其控制方法，包括功率变换器、原边补偿电路、传输线圈、副边补偿电路、整流电路、无线数据传输模块、控制器。通过改变功率变换器的运行频率，实现单一发射线圈与不同接收线圈的耦合，从而实现选择性的能量传输；同时借助原边补偿网络中的开关电容实现了在改变功率变换器运行频率的同时相应的调整原边补偿网络的参数，使系统对不同接收线圈的电压传输增益保持一致。
所述的功率变换器为高频全桥逆变电路，可根据控制器输出改变逆变电路的运行频率，所述的整流电路为二极管全桥不控整流，副边无有源功率器件。
所述的传输线圈包括一个发射线圈和两个及以上的接收线圈。所述的原边补偿电路为LCC结构，包括一个电感组件和两个电容组件，其中电容组件为开关电容电路，可根据控制器输出改变等效电容值；副边补偿电路为S结构，每个接收线圈对应一个副边补偿电路，每个副边补偿电路包括一个电容组件，不同接收线圈和其补偿电路的电容器对应的谐振频率不同。所述的开关电容电路由两个功率开关器件和一个电容器件构成，两个功率开关器件的源极相连，漏极分别与电容器两端相连，即两个功率开关器件先串联后再与电容器并联。
所述的控制器可输出八路PWM信号，其中四路分别控制构成全桥逆变器的四个功率开关器件；另外四路分为两组，分别控制两组构成开关电容的功率开关器件。
本发明提供一种一对多无线电能传输系统的控制方法，步骤如下：
(1)确定各个接收线圈的谐振频率，控制器控制功率变换器工作在某一接收线圈的谐振频率，同时控制器控制原边补偿网络中的两组开关电容使其等效电容值满足特定阻抗要求，此时发射线圈中的电流不受负载变化的影响，发射线圈与该接收线圈实现磁谐振耦合，实现电能的选择性传输；
(2)该接收线圈将接收到的交流电经二极管全桥不控整流后变为直流电为负载提供能量，无线数据传输模块将采样到的副边直流输出电压传送回原边的控制器，控制器根据电压反馈值调整输出的PWM信号，使副边直流输出电压跟随控制器的电压给定值，实现电压闭环控制；
(3)当系统需要改变无线电能传输的接收线圈时，控制器将运行频率切换为目标接收线圈的谐振频率，同时开关电容的控制信号也相应进行动作，使等效电容值满足特定阻抗要求，且使得发射线圈对不同接收线圈的电压传输增益保持一致，实现无线电能传输目标的切换。
实施例：
如图1所示，本实施例提供了一种一对三无线电能传输系统，包括功率变换器1、原边补偿电路2、传输线圈3、副边补偿电路4、整流电路5、负载6、控制器7、无线数据传输模块8。所述功率变换器1包括四个功率开关器件101，所述原边补偿电路为LCC结构电路。所述的传输线圈包括发射线圈31和接收线圈32。所述的副边补偿网络4包括对应于接收线圈32的S结构补偿电路，分别为三个副边电容组件。所述的整流电路5为二极管全桥不控整流，所述的负载6为电阻负载。所述的控制器7用于控制该无线电能传输系统。所述的无线数据传输模块8用于传输系统副边输出端的有关变量。
如图2所示，所述的原边补偿电路2为LCC结构，其电容组件为开关电容电路，其中并联支路包括两个功率开关器件(201、202)和电容(203)，串联支路包括两个功率开关器件(204、205)和电容(206)。工作时201和202互补导通，204和205互补导通。在控制器的控制下实现等效电容值的调整，从而维持补偿网络特定的阻抗特性。本实施例包括三个接收线圈32，每个接收线圈均采用S结构的补偿电路，通过对副边电容组件41电容值的选取分别为三个接收线圈设置三个不同的谐振频率。
在具体使用时，本发明提供一种一对多无线电能传输系统的控制方法，步骤如下：
首先确定各个接收线圈的谐振频率，若此时希望向接收线圈32传输能量，则控制器控制功率变换器工作在接收线圈32对应的谐振频率，同时控制器控制原边补偿网络中的两组开关电容22，使其等效电容值满足特定阻抗要求，此时发射线圈中的电流不受负载变化的影响，发射线圈31与接收线圈32实现磁谐振耦合，实现电能的选择性传输。
接收线圈32将接收到的交流电经二极管全桥不控整流后变为直流电为负载提供能量，无线数据传输模块8将采样到的副边直流输出电压传送回原边的控制器，控制器根据电压反馈值调整输出的PWM信号，使副边直流输出电压跟随控制器的电压给定值，实现电压闭环控制。
当系统需要将能量传输由接收线圈32切换到另一个接收线圈时，控制器将运行频率切换为目标接收线圈的谐振频率，同时开关电容的控制信号也相应进行动作，使等效电容值满足特定阻抗要求，且使得发射线圈对不同接收线圈的电压传输增益保持一致，实现无线电能传输目标的切换。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，本领域技术人员可以根据本发明作出相应改变和变形，属于本发明所附权利要求所定义的技术变形，均在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，包括功率变换器(1)、原边补偿电路(2)、传输线圈(3)、副边补偿电路组(4)、整流电路(5)、数据传输模块(9)、无线数据传输模块(8)和控制器(7)；功率变换器(1)、原边补偿电路(2)、传输线圈(3)、副边补偿电路组(4)和整流电路(5)依次连接，整流电路(5)连接有负载，负载通过数据传输模块(9)连接无线数据传输模块(8)，无线数据传输模块(8)连接控制器(7)；控制器(7)输出八路PWM信号，其中四路控制功率变换器(1)，另外四路控制原边补偿电路(2)。
2.根据权利要求1所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，功率变换器(1)包括四个功率开关器件(101)，四个功率开关器件(101)分为两组并联在外部电源上。
3.根据权利要求2所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，原边补偿电路(2)包括一个电感组件(21)和两个电容组件(22)；一个电感组件和两个电容组件构成的LCC结构电路，LCC结构电路连接在两组功率开关器件上；电容组件(22)为开关电容电路。
4.根据权利要求3所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，开关电容电路包括两个功率开关器件和一个电容器件，两个功率开关器件的源极相连，漏极分别与电容器件两端相连。
5.根据权利要求4所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，控制器(7)输出八路PWM信号，其中四路分别控制构成全桥逆变器的四个功率开关器件；另外四路分为两组，分别控制两组构成开关电容的功率开关器件。
6.根据权利要求3所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，传输线圈(3)包括发射线圈(31)和若干接收线圈(32)；发射线圈(31)连接在两个电容组件(22)上，若干接收线圈(32)并排设置。
7.根据权利要求6所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，副边补偿电路组(4)为S结构补偿电路，包括若干个副边补偿电路，每个副边补偿电路包括一个副边电容组件(41)；每个副边补偿电路对应一个接收线圈，不同接收线圈和其补偿电路的电容器对应的谐振频率不同。
8.根据权利要求7所述的一种一对多无线电能传输系统，其特征在于，整流电路(5)包括若干二极管整流桥和电容，二极管整流桥的个数和接收线圈个数相匹配，每个二极管整流桥后均并联有电容，形成全桥不控整流。
9.一种一对多无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，基于权利要求1至8任意一项所述的一种一对多无线电能传输系统，包括以下步骤：
确定各个接收线圈的谐振频率，控制器控制功率变换器工作在某一接收线圈的谐振频率，同时控制器控制原边补偿网络中的两组开关电容使其等效电容值满足特定阻抗要求，此时发射线圈与该接收线圈实现磁谐振耦合，实现电能的选择性传输；
该接收线圈将接收到的交流电经二极管全桥不控整流后变为直流电为负载提供能量，无线数据传输模块将采样到的副边直流输出电压传送回原边的控制器，控制器根据电压反馈值调整输出的PWM信号，使副边直流输出电压跟随控制器的电压给定值，实现电压闭环控制；
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