CN114142625A - 基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统 - Google Patents

基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统 Download PDF

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CN114142625A CN202111439810.3A CN202111439810A CN114142625A CN 114142625 A CN114142625 A CN 114142625A CN 202111439810 A CN202111439810 A CN 202111439810A CN 114142625 A CN114142625 A CN 114142625A
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Abstract

本发明涉及基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统，该系统引入了多频技术来扩展充电目标的数量。该系统应用基于H桥逆变器的多频调制方法，可以给发射线圈的电路提供两个不同频率的电压，每个频率分量的输出电压可通过与其对应桥臂的开关占空比控制。系统采用一种多频谐振网络对逆变器输出电压进行滤波，对应开关频率的两个基波分量得以保留，从而在发射线圈中得到多频叠加的电流。在此系统中，正交发射线圈组中的三个叠加电流可以合成两个不同频率的磁场矢量，两个磁场矢量可以分别定向于空间中的不同位置。当多个接收器进入系统的工作空间时，均可获得独立的供电。本发明扩展了三维无线电能传输系统对多个运动目标进行定向充电的功能，可应用于多用户的移动设备充电、物流工厂的机器人充电、野外作业的无人机充电等工作场合。

Description

基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体为基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统。
背景技术
随着材料学、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，无线电能传输系统在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源发电、医疗仪器、照明、便携式通讯设备等领域均有着广泛的应用前景。电磁耦合谐振无线电能传输技术属于电能输送领域的前沿课题，是一个全新的技术领域，利用磁耦合谐振原理，通过两个具有相同谐振频率的线圈产生高频交变耦合磁场实现电能在一定距离范围内传输。相对于传统的接线式电能传输技术，该技术更加灵活、安全、可靠，能实现供电设备和用电设备之间的近、中程距离电能传输，具有通用性强、安全性高等优点。
三维无线电能传输系统因其空间自由度高而在特殊应用中大放异彩。然而，随着移动接收端数量的增加，传统的三维WPT系统难以同时满足设备的充电需求。为此我们需要开发能够针对多个移动负载进行定向能量传输的新型三维无线电能传输系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供基于多频技术的新型三维无线电能传输系统，该系统引入了多频技术来扩展充电目标的数量。应用基于H桥逆变器的多频调制方法给发射器线圈的电路提供两个不同频率的电压，每个频率分量的输出电压通过与其对应桥臂的开关占空比控制。系统采用一种多频谐振网络来逆变器输出电压进行滤波，对应开关频率的两个基波分量得以保留，在发射线圈中得到多频叠加的电流。在此系统中，正交发射线圈组中的三个叠加电流可以合成两个不同频率的磁场矢量，两个磁场矢量可以分别定向于空间中的不同位置。当多个接收器进入系统的工作空间时，均可获得独立的供电。
基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统，该方法包括以下步骤：
S1，设计了一种基于H桥逆变器的多频调制方法，通过单个H桥同时输出包含两个不同频率分量的电压；
S2，设计了一种多频谐振网络拓扑结构，用于逆变器输出电压的滤波。该谐振网络具有两个不同的带通频率，从而可以保留两个不同频率的基波电流，在发射线圈上得到多频混合的叠加电流；
S3，基于三个发射线圈中多频电流的幅值和相位控制，设计了一种能够同时定位空间中两个不同方位的空间磁场定向方法，实现多频三维无线电能传输系统的多负载定向能量传输功能。
作为本发明进一步改进，所述步骤S1的基于H桥逆变器的多频调制方法，具体过程如下：
所述基于H桥逆变器的多频调制方法的系统由三个相互垂直的发射线圈组成，每个发射线圈由单独的逆变器控制，所有逆变器都并联连接到直流电压源udc上，
Figure BDA0003382540460000021
和
Figure BDA0003382540460000022
m＝1,2是逆变器的输出电压，该电压在线圈A，B和C中分别激励出电流
Figure BDA0003382540460000023
和
Figure BDA0003382540460000024
两个接收器Rx1和Rx2分别放置在工作空间的不同位置，谐振电容Cs1、Cs2以及负载 1和2分别与Rx1和Rx2串联；
所述的基于H桥逆变器的多频调制方法中，系统的开关频率为fm，逆变器的左桥臂工作与频率f1，而右桥臂工作与频率f2，每个频率分量的输出电压通过桥臂开关的占空比来控制。
所述发射线圈A的电路中S1、S2、S3和S4是H桥逆变器中MOSFET的驱动信号，S1 和S2是互补的，S3和S4也是，所述S1和S2以及S3和S4以不同的频率运行，所述线圈 B和C电路同上。
作为本发明进一步改进，所述步骤S2的多频谐振网络拓扑结构具体如下，所述多频谐振网络拓扑结构的多频谐振网络具有两个带通频率，使用多频谐振网络对上述逆变器输出电压进行滤波，得到含有两个频率分量的叠加电流，具体过程如下：
基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统的每个发射线圈都连接到由串联电容器和并联LC支路组成的多频谐振网络，多频谐振网络有两个谐振点，为能量传输提供两个频率通；
所述发射线圈A的电路中多频谐振网络包含一个串联LC支路，且包含线圈A在内和并联LC支路，通过参数设计，使得该网络在频率f1和f2处均表先为串联谐振的特性，对应的参数条件如下所示：
Figure BDA0003382540460000025
其中ω1和ω2分别是f1和f2的角频率；
输出电压
Figure BDA0003382540460000026
和
Figure BDA0003382540460000027
通过多频谐振网络后，由于多频谐振网络有两个通带，因此保留对应于开关频率的两个正弦电流，基于上述方法，在发射线圈中获得幅值和相位可控的两种不同频率的电流；
输出电压
Figure BDA0003382540460000028
和
Figure BDA0003382540460000029
通过多频谐振网络后，由于多频谐振网络有两个通带，因此保留对应于开关频率的两个正弦电流，所述线圈B和C电路同上。
作为本发明进一步改进，所述步骤S3中三个发射线圈中多频电流的幅值和相位通过多频调制进行独立的调整与控制，而每一个频率的三个电流都合成一个空间定向的磁场矢量，从而实现多负载在空间中定向传输能量，具体过程如下：
由于合成磁矢量的方向由线圈电流的幅值和相位决定，发射线圈中的多频电流可以产生两个合成磁矢量，用于定位不同的目标；
在这个系统中，所有的发射线圈电流都有两个频率分量，磁矢量
Figure BDA0003382540460000031
和
Figure BDA0003382540460000032
由电流
Figure BDA0003382540460000033
Figure BDA0003382540460000034
和
Figure BDA0003382540460000035
产生，而磁矢量
Figure BDA0003382540460000036
和
Figure BDA0003382540460000037
由电流
Figure BDA0003382540460000038
和
Figure BDA0003382540460000039
产生，F1和F2是合成磁矢量的幅值，θ1和θ2是空间坐标系中的方位角，
Figure BDA00033825404600000310
和
Figure BDA00033825404600000311
则是仰角，通过使用专用控制器，将发射线圈电流调整到其参考值即可便利地实现负载位置定向，线圈电流的设定值可由下式计算
Figure BDA00033825404600000312
Figure BDA00033825404600000313
其中
Figure BDA00033825404600000314
Figure BDA00033825404600000315
Ibase1和Ibase2是正实数，与F1和F2的幅值有关；
所述多频三维无线电能传输系统转换为电路模型的电路方程如下
Figure BDA00033825404600000316
其中
Figure BDA00033825404600000317
Figure BDA00033825404600000318
Figure BDA00033825404600000319
ω1和ω2是f1和f2相应的角频率；
接收器1和2分别在f1和f2处谐振，系统的谐振方程表示为
Figure BDA00033825404600000320
如果接收端和发射端的谐振频率不同，接收器电流几乎不会影响发射线圈电流，在此基础上，接收器的电流从上面列出的等式中计算得到
Figure BDA0003382540460000041
其中
Figure BDA0003382540460000042
如方程(7)所示，调整这些方位角θ1和θ2以及仰角
Figure BDA0003382540460000043
和
Figure BDA0003382540460000044
的值可以使负载电流最大化，从物理上解释为负载的位置被合磁矢量定向，磁场定向前提条件的数学表达式为：
Figure BDA0003382540460000045
由于这些方位角和仰角的值通过线圈电流控制进行调整，因此，多频三维无线电能传输系统同时定位两个接收器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出了一种新型三维无线电能传输系统，该系统引入了多频技术来扩展充电目标的数量。在所提出的系统中，应用基于H桥逆变器的多频调制方法给发射器线圈的电路提供两个不同频率的电压，每个频率分量的输出电压通过与其对应桥臂的开关占空比控制。系统采用一种多频谐振网络来逆变器输出电压进行滤波，对应开关频率的两个基波分量得以保留，在发射线圈中得到多频叠加的电流。在此系统中，正交发射线圈组中的三个叠加电流可以合成两个不同频率的磁场矢量，两个磁场矢量可以分别定向于空间中的不同位置。当多个接收器进入系统的工作空间时，均可获得独立的供电。该系统扩展对多个运动目标进行定向充电的功能，可应用于多用户的移动设备充电、物流工厂的机器人充电、野外作业的无人机充电等工作场合。
附图说明
图1基于多频技术的三维无线电能传输系统的整体结构；
图2多频三维无线电能传输系统中磁矢量方向示意图；
图3逆变器电路原理和多频调制的关键波形图；
图4多频三维无线电能传输系统的电路模型；
图5多频三维无线电能传输系统参数设计流程；
图6多频三维无线电能传输系统的实验原型样机；
图7多频调制方法的关键波形：(a)当系统工作在80kHz时；(b)当系统工作在200kHz 时；(c)当系统工作于多频调制时；
图8定向实验结果：(a)情形1的发射线圈电流；(b)情形1的LED负载的实验演示；(c)情形2的发射线圈电流；(d)情形2的LED负载的实验演示。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明提出的提出了一种用于多负载定向的多频三维无线电能传输系统。基于H桥逆变器的多频调制方式产生多频驱动电压，多频谐振网络保留各频率的基波分量。它们的配合使发射电流在两个频率通道上具有可控的幅值和相位的特性。三个线圈中两组可独立控制的电流可以合成两个空间定向的磁场矢量，实现对多负载的定向能量传输。
本专利提供基于多频技术的新型三维无线电能传输系统的设计方法，具体步骤如下；
1)设计了一种基于H桥逆变器的多频调制方法，可通过单个H桥同时输出包含两个不同频率分量的电压。
本发明所提系统由三个相互垂直的发射器线圈组成，每个发射线圈由单独的逆变器控制，所有逆变器都并联连接到直流电压源udc上，如图1所示。
Figure BDA0003382540460000051
和
Figure BDA0003382540460000052
是逆变器的输出电压，该电压可以在线圈A，B和C中分别激励出电流
Figure BDA0003382540460000053
和
Figure BDA0003382540460000054
两个接收器Rx1和Rx2分别放置在工作空间的不同位置，谐振电容Cs1、Cs2以及负载1和2分别与 Rx1和Rx2串联。
本文所提出的系统采用一种新型的调制方法。在这种调制方法中，系统的开关频率为 fm。逆变器的左桥臂工作与频率f1，而右桥臂工作与频率f2。每个频率分量的输出电压可以通过桥臂开关的占空比来控制，如图3所示。以发射线圈A的电路为例说明多频调制的工作原理。在图3(a)和(b)中，S1、S2、S3和S4是H桥逆变器中MOSFET的驱动信号。S1和 S2是互补的，S3和S4也是。但它们以不同的频率运行。图3(c)为电压
Figure BDA0003382540460000055
单独作用时逆变器的输出电压和线圈电流，图3(d)为电压
Figure BDA0003382540460000056
单独作用时的结果，图3(e)为多频调制下的电压电流波形。
2)设计了一种多频谐振网络拓扑结构，用于逆变器输出电压的滤波。该谐振网络具有两个不同的带通频率，从而可以保留两个不同频率的基波电流，得到多频混合的叠加电流。
如图1所示，系统的每个发射线圈都连接到由串联电容器和并联LC支路组成的多频谐振网络，多频谐振网络有两个谐振点，可以为能量传输提供两个频率通道。以线圈A路的电路为例：其多频谐振网络包含一个串联LC支路(包含线圈A在内)和并联LC支路，通过参数设计，可以使得该网络在频率f1和f2处均表先为串联谐振的特性，对应的参数条件如下所示：
Figure BDA0003382540460000061
其中ω1和ω2分别是f1和f2的角频率。
输出电压
Figure BDA0003382540460000062
和
Figure BDA0003382540460000063
通过多频谐振网络后，由于多频谐振网络有两个通带，因此可以保留对应于开关频率的两个正弦电流。基于上述方法，可以在发射线圈中获得幅值和相位可控的两种不同频率的电流。
3)基于三个发射线圈中多频电流的幅值和相位控制，设计了一种能够同时定位空间中两个不同方位的空间磁场定向方法，实现多频三维无线电能传输系统的多负载定向能量传输功能。
由于合成磁矢量的方向由线圈电流的幅值和相位决定。发射线圈中的多频电流可以产生两个合成磁矢量，用于定位不同的目标，如图2所示。
在这个系统中，所有的发射线圈电流都有两个频率分量。在图2中，磁矢量
Figure BDA0003382540460000064
和
Figure BDA0003382540460000065
由电流
Figure BDA0003382540460000066
和
Figure BDA0003382540460000067
产生，而磁矢量
Figure BDA0003382540460000068
和
Figure BDA0003382540460000069
由电流
Figure BDA00033825404600000610
和
Figure BDA00033825404600000611
产生。F1和F2是合成磁矢量的幅值，θ1和θ2是空间坐标系中的方位角，
Figure BDA00033825404600000612
和
Figure BDA00033825404600000613
则是仰角。通过使用专用控制器，将发射线圈电流调整到其参考值即可便利地实现负载位置定向。线圈电流的设定值可由下式计算
Figure BDA00033825404600000614
Figure BDA00033825404600000615
其中
Figure BDA00033825404600000616
Figure BDA00033825404600000617
Ibase1和Ibase2是正实数，与F1和F2的幅值有关。
为了更深入地了解所提出的多频三维无线电能传输系统，将图1所示的系统转换为电路模型，如图4所示。
由图4中的电路模型可以得到系统的电路方程如下
Figure BDA0003382540460000071
其中
Figure BDA0003382540460000072
Figure BDA0003382540460000073
Figure BDA0003382540460000074
和ω2是f1和f2相应的角频率。
接收器1和2分别在f1和f2处谐振。系统的谐振方程可表示为
Figure BDA0003382540460000075
如果接收端和发射端的谐振频率不同，接收器电流几乎不会影响发射线圈电流。在此基础上，接收器的电流可以从上面列出的等式中计算得到
Figure BDA0003382540460000076
其中
Figure BDA0003382540460000077
如方程(7)所示，调整这些方位角θ1和θ2以及仰角
Figure BDA0003382540460000078
和
Figure BDA0003382540460000079
的值可以使负载电流最大化。从物理上解释为负载的位置被合磁矢量定向。磁场定向前提条件的数学表达式为：
Figure BDA00033825404600000710
由于这些方位角和仰角的值可以通过线圈电流控制进行调整，因此，多频三维无线电能传输系统可以同时定位两个接收器。
如图6所示，本发明设计并构建了一个完整的20W的多频三维无线电能传输系统。在实际系统设计中，系统的工作频率ω1和ω2一般是基于商业或国家标准来预先设定。并且线圈的自感由线圈的结构决定，因此ω1,ω2,和LA,LB,LC,Ls1,Ls2的值被视为已知量。由式(4)可以求解出该系统中的其他参数。以线圈A的电路为例。为简单起见，La的值由以下公式求解：
La＝λLA (8)
详细的参数设计流程如图5所示。多频调制方法在数字信号处理器(DSP,TMS32028335) 上实现，并由三个独立的H桥执行。逆变器由四个MOSFET(JCS50N20WT)组成。系统的工作频率选择为80kHz和200kHz。12V直流电压源为系统供电。谐振网络包括自制电感和几个薄膜电容，电感中使用的铁氧体磁芯为RM14。该样机的详细参数如表1所示。
表1
基于多频技术的三维无线电能传输系统的详细参数
Figure BDA0003382540460000081
1)多频调制实验验证
多频调制验证实验结果如图7所示，从上到下的波形分别为S1和S3的驱动信号、逆变器的输出电压和发射电流。与图3相比，实验结果与理论分析非常吻合。波形上的细微差别主要是参数偏移造成的。
2)多负载定向实验验证
为了验证多负载定向理论的正确性，首先我们将空间坐标中的磁矢量方向定义为三维矢量的形式。如图1所示，如果线圈A由
Figure BDA0003382540460000082
激发，则沿X轴的磁矢量为“1”，如果线圈B由
Figure BDA0003382540460000083
(“-”表示
Figure BDA0003382540460000084
和
Figure BDA0003382540460000085
之间的相位差为π，相位为设置为参考)，沿Y轴的磁矢量为“-1”。这样，空间坐标的八个象限中的磁矢量方向可以定义为：(1,1,1)(m),(-1,1,1)(m),(-1,-1,1)(m),(1,-1,1)(m),(1,1,-1)(m),(-1,1,-1)(m),(-1,-1,-1)(m),(1,-1,-1)(m)，上标m用于区分定向磁矢量的频率是f1还是f2。还有一点需要注意的是，空间坐标中产生的磁矢量会穿过关于原点对称的两个象限。在本实验中，LED负载用于演示磁场定向的结果。实验结果如图8所示。
图8(a)和(c)展示了两种情况下的发射线圈电流。在图8(b)和(d)中，这些LED灯演示了定向功率传输的效果。在图8(a)和(b)中，磁矢量集中在(1,-1,1)(1)和(1,1,-1)(2)处。第四和第六象限的接收器可以通过频率为f1的磁场供电，第三和第五象限的接收器由f2的磁场供电。同理，在图8(c)和(d)中，磁矢量的方向为(1,-1,1)(1)和(1,-1,-1)(2)，磁场聚焦于第二、第四、第六和第八象限。从发光的LED所在的方位可以看出，实验结果与理论分析吻合得很好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1，设计了一种基于H桥逆变器的多频调制方法，通过单个H桥同时输出包含两个不同频率分量的电压；
S2，设计了一种多频谐振网络拓扑结构，用于逆变器输出电压的滤波。该谐振网络具有两个不同的带通频率，从而可以保留两个不同频率的基波电流，在发射线圈上得到多频混合的叠加电流；
S3，基于三个发射线圈中多频电流的幅值和相位控制，设计了一种能够同时定位空间中两个不同方位的空间磁场定向方法，实现多频三维无线电能传输系统的多负载定向能量传输功能。
2.根据权利要求1所述的基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统，其特征在于：
所述步骤S1的基于H桥逆变器的多频调制方法，具体过程如下：
所述基于H桥逆变器的多频调制方法的系统由三个相互垂直的发射线圈组成，每个发射线圈由单独的逆变器控制，所有逆变器都并联连接到直流电压源udc上，
Figure FDA0003382540450000011
和
Figure FDA0003382540450000012
m＝1,2是逆变器的输出电压，该电压在线圈A，B和C中分别激励出电流
Figure FDA0003382540450000013
和
Figure FDA0003382540450000014
两个接收器Rx1和Rx2分别放置在工作空间的不同位置，谐振电容Cs1、Cs2以及负载1和2分别与Rx1和Rx2串联；
所述的基于H桥逆变器的多频调制方法中，系统的开关频率为fm，逆变器的左桥臂工作与频率f1，而右桥臂工作与频率f2，每个频率分量的输出电压通过桥臂开关的占空比来控制；
所述发射线圈A的电路中S1、S2、S3和S4是H桥逆变器中MOSFET的驱动信号，S1和S2是互补的，S3和S4也是，所述S1和S2以及S3和S4以不同的频率运行，所述线圈B和C电路同上。
3.根据权利要求1所述的基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统，其特征在于：所述步骤S2的多频谐振网络拓扑结构具体如下，所述多频谐振网络拓扑结构的多频谐振网络具有两个带通频率，使用多频谐振网络对上述逆变器输出电压进行滤波，得到含有两个频率分量的叠加电流，具体过程如下：
基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统的每个发射线圈都连接到由串联电容器和并联LC支路组成的多频谐振网络，多频谐振网络有两个谐振点，为能量传输提供两个频率通；
所述发射线圈A的电路中多频谐振网络包含一个串联LC支路，且包含线圈A在内和并联LC支路，通过参数设计，使得该网络在频率f1和f2处均表先为串联谐振的特性，对应的参数条件如下所示：
Figure FDA0003382540450000021
其中ω1和ω2分别是f1和f2的角频率；
输出电压
Figure FDA0003382540450000022
和
Figure FDA0003382540450000023
通过多频谐振网络后，由于多频谐振网络有两个通带，因此保留对应于开关频率的两个正弦电流，基于上述方法，在发射线圈中获得幅值和相位可控的两种不同频率的电流；
输出电压
Figure FDA0003382540450000024
和
Figure FDA0003382540450000025
通过多频谐振网络后，由于多频谐振网络有两个通带，因此保留对应于开关频率的两个正弦电流，所述线圈B和C电路同上。
4.根据权利要求1所述的基于多频磁场空间定向的三维无线电能传输系统，其特征在于：所述步骤S3中三个发射线圈中多频电流的幅值和相位通过多频调制进行独立的调整与控制，而每一个频率的三个电流都合成一个空间定向的磁场矢量，从而实现多负载在空间中定向传输能量，具体过程如下：
由于合成磁矢量的方向由线圈电流的幅值和相位决定，发射线圈中的多频电流可以产生两个合成磁矢量，用于定位不同的目标；
在这个系统中，所有的发射线圈电流都有两个频率分量，磁矢量
Figure FDA0003382540450000026
和
Figure FDA0003382540450000027
由电流
Figure FDA0003382540450000028
Figure FDA0003382540450000029
和
Figure FDA00033825404500000210
产生，而磁矢量
Figure FDA00033825404500000211
和
Figure FDA00033825404500000212
由电流
Figure FDA00033825404500000213
和
Figure FDA00033825404500000214
产生，F1和F2是合成磁矢量的幅值，θ1和θ2是空间坐标系中的方位角，
Figure FDA00033825404500000215
和
Figure FDA00033825404500000216
则是仰角，通过使用专用控制器，将发射线圈电流调整到其参考值即可便利地实现负载位置定向，线圈电流的设定值可由下式计算
Figure FDA00033825404500000217
Figure FDA00033825404500000218
其中
Figure FDA00033825404500000219
θ1∈[0,π],
Figure FDA00033825404500000220
θ2∈[0,π],
Figure FDA00033825404500000221
Ibase1和Ibase2是正实数，与F1和F2的幅值有关；
所述多频三维无线电能传输系统转换为电路模型的电路方程如下
Figure FDA0003382540450000031
其中
Figure FDA0003382540450000032
Figure FDA0003382540450000033
Figure FDA0003382540450000034
ω1和ω2是f1和f2相应的角频率；
接收器1和2分别在f1和f2处谐振，系统的谐振方程表示为
Figure FDA0003382540450000035
如果接收端和发射端的谐振频率不同，接收器电流几乎不会影响发射线圈电流，在此基础上，接收器的电流从上面列出的等式中计算得到
Figure FDA0003382540450000036
其中
Figure FDA0003382540450000037
如方程(7)所示，调整这些方位角θ1和θ2以及仰角
Figure FDA0003382540450000038
和
Figure FDA0003382540450000039
的值可以使负载电流最大化，从物理上解释为负载的位置被合磁矢量定向，磁场定向前提条件的数学表达式为：
Figure FDA0003382540450000041
由于这些方位角和仰角的值通过线圈电流控制进行调整，因此，多频三维无线电能传输系统同时定位两个接收器。
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