CN115514109B - 一种基于磁通可调电感的无线充电系统及动态调谐方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于磁通可调电感的无线充电系统及动态调谐方法,无线充电系统包括原边电路和副边电路;所述原边电路包括直流电压源U、原边全桥逆变器和原边LCL网络;所述副边电路包括副边LCL网络、副边全桥逆变器、直流电压源U d、LC网络、桥式整流与滤波电路和负载电阻R o ;本发明电容矩阵的容值连续,开关管电压负载小,精度高,采用的电容和开关管的数量较少,减少了系统成本与体积;本发明解决无线充电设备中补偿拓扑失谐导致的系统性能降低问题,保证高效率充电需求;同时,相较于现有方法而言更为便捷且高效,上述两方面工作助力于提高无线充电设备的利用率与经济性。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域,具体地,涉及一种基于磁通可调电感的无线充电系统及动态调谐方法。
背景技术
无线充电技术利用耦合线圈通过较大的气隙进行能量传输,相对传统的传导式充电方式可以摆脱电缆的束缚,具有方便、安全的优点,已应用于许多充电场合,如智能手机或生物医学植入物等低功率应用,中功率应用如电动汽车,甚至应用在火车这种更高功率的应用。
无线充电技术采用不同的补偿拓扑保证系统工作于谐振状态,从而实现高性能运行。这就要求无线充电系统的电容和电感值需要适当的设计和精确的调整,以保证系统工作在谐振状态。在实际应用中,系统随着使用,其电容电感参数会发生相应的变化,以及负载的变化和耦合参数的变化都会导致系统谐振频率发生偏移。最终导致系统中无功功率过多,系统效率低下。
现有的调谐策略主要有以下几种:
1. 基于补偿电容矩阵的调谐控制策略
补偿电容矩阵,就是一种“开关电容阵列”装置,将若干个不同容值的电容通过与开关管串并联,构成可变电容矩阵结构,并将之作为谐振补偿电容接入谐振回路中。通过控制电容矩阵中开关管的通断实现多个不同容值的电容串并联,使整个电容矩阵呈现出不同的电容值。进而起到改变发射端/接收端固有频率的效果,使其适应系统接收端/发射端的频率变化。采用开关管与电容阵列配合,通过控制接入不同数量的补偿电容,来实现对电容的动态补偿,为了提高补偿电容的调节精度,可增加一定数量的电容,调谐电路的控制相对繁琐。缺点:电容矩阵的容值并不连续,呈现离散性导致精度受限,另外电容和开关管的数量较多,增加了系统成本与体积。
2. 基于相控电感/可控电容的调谐控制策略
相控电感/可控电容通过控制其开关管的导通与关断使其等效为参数连续的可变电感/电容,以此接入电路动态补偿电路在感性和容性之间的变化来保证系统的最大传输效率。采用动态补偿调谐的方式,通过开关管与电容电感的串并联形成等效的可变电容或可变电感,通过调节导通角的大小,实现电路的动态调谐。缺点:开关管需要进行软开关控制且会承受一个较大的电压。对相控电感进行调谐,通过控制开关器件的导通角实现动态的等效电容匹配。
3. 基于锁相环的调谐控制策略
基于锁相环的频率跟踪调谐控制策略是利用锁相环闭环反馈控制的特性,通过跟踪发射端输出电流的频率,控制PWM控制器输出的驱动信号的频率,保证系统的工作频率与电路的谐振频率相同,确保系统处在谐振状态,进而起到改善传输性能的效果。
发明内容
本发明为了克服上述缺点,提出了一种基于磁通可调电感的无线充电系统及动态调谐方法。
本发明通过以下技术方案实现:
一种基于磁通可调电感的无线充电系统:
所述无线充电系统包括原边电路和副边电路;
所述原边电路包括直流电压源U、原边全桥逆变器和原边LCL网络;
所述直流电压源U连接全桥逆变器,原边全桥逆变器连接原边LCL网络;
所述副边电路包括副边LCL网络、副边全桥逆变器、直流电压源U d、LC网络、桥式整流与滤波电路和负载电阻R o ;
所述副边LCL网络连接副边全桥逆变器,副边全桥逆变器连接直流电压源U d;
所述LC网络连接桥式整流与滤波电路,桥式整流与滤波电路连接负载电阻R o 。
进一步地,
所述原边全桥逆变器包括一个电容C、四个开关管Q 1、Q 2、Q 3和Q 4;
所述原边LCL网络由线圈L 1、线圈L 3、补偿电容C 1组成。
进一步地,
所述直流电压源U的一端分别与电容C的一端、开关管Q 1的一端以及开关管Q 2的一端相连接;
直流电压源U的另一端分别与电容C的另一端、开关管Q 3的一端以及开关管Q 4的一端相连接;
开关管Q 1的另一端分别与开关管Q 3的另一端、线圈L 1的一端相连接;
开关管Q 2的另一端分别与开关管Q 4的另一端、补偿电容C 1的一端相连接;
补偿电容C 1的另一端与线圈L 3的一端相连接,线圈L 3的另一端与线圈L 1的另一端相连接。
进一步地,
副边LCL由线圈L 4、线圈L 5和补偿电容C 3组成;
副边全桥逆变器包括四个开关管Q 5、Q 6、Q 7和Q 8;
线圈L 4的一端分别与补偿电容C 3的一端、开关管Q 6的一端和开关管Q 8的一端相连接;
线圈L 4的另一端分别与补偿电容C 3的另一端以及线圈L 5的一端相连接;
线圈L 5的另一端分别与开关管Q 5的一端和开关管Q 7的一端相连接;
直流电压源U d的正极分别与开关管Q 5的另一端以及开关管Q 6的另一端相连接;
直流电压源U d的负极分别与开关管Q 7的另一端以及开关管Q 8的另一端相连接。
进一步地,
LC网络由线圈L 2和补偿电容C 2组成;
桥式整流与滤波电路由四个二极管D 1、D 2、D 3、D 4和薄膜电容C o构成;
线圈L 2的一端与补偿电容C 2的一端相连接,补偿电容C 2的另一端分别与二极管D 1的一端、二极管D 3的一端相连接;
线圈L 2的另一端分别与二极管D 2的一端、二极管D 4的一端相连接;
薄膜电容C o的一端分别与负载电阻R o 的一端、二极管D 1的另一端以及二极管D 2的另一端相连接;
薄膜电容C o的另一端分别与负载电阻R o 的另一端、二极管D 3的另一端以及二极管D 4的另一端相连接。
进一步地,
线圈L 1与线圈L 2的传能通道互感值为M1;
线圈L 3与线圈L 4的可调电感器互感值为M2。
一种基于磁通可调电感的无线充电系统的动态调谐方法,其特征在于:
所述动态调谐方法包括同向耦合和反向耦合;
所述同向耦合具体方法为:
在原边注入一个电流i 1,副边注入一个电流i 2,则电流i 1产生一个磁通设为Φ 1,相应的产生的电流i 1自感磁通链设为Ψ 11,电流i 1互感磁通链Ψ 21;
电流i 2产生磁通、电流i 2自感磁通链、电流i 2互感磁通链分别为Φ 2、Ψ 22、Ψ 12;
则原边线圈中的磁通链Ψ 1和副边线圈中的磁通链Ψ 2分别为
所述反向耦合具体方法为:当电流i 2与电流i 1反向,
即通过在互感副边注入一个与原边电流相位相同且大小成比例的电流,能够在互感原边呈现出不同的电感值,且原边的电感值大小与原边自感值、互感值和两个电流的比值有关。
一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明有益效果
一方面,本发明所提方法可以解决无线充电设备中补偿拓扑失谐导致的系统性能降低问题,保证高效率充电需求。
另一方面,相较于现有方法而言,基于磁通可调电感的无线充电系统及动态调谐方法的电路拓扑和控制方法更为便捷且高效。
上述两方面工作有助于提高无线充电设备的利用率与经济性。
附图说明
图1为本发明同向耦合时的互感模型及其等效解耦电路,其中(a)为互感模型,(b)为等效解耦电路;
图2为本发明反向耦合时的互感模型及其等效解耦电路,其中(a)为互感模型,(b)为等效解耦电路;
图3为本发明采用可调电感器的S-S无线充电系统拓扑;
图4为本发明电流i 1与i 3仿真波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
结合图1至图4。
一种基于磁通可调电感的无线充电系统:
所述无线充电系统包括原边电路和副边电路;
所述原边电路包括直流电压源U、原边全桥逆变器和原边LCL网络;
所述直流电压源U连接全桥逆变器,原边全桥逆变器连接原边LCL网络;
所述副边电路包括副边LCL网络、副边全桥逆变器、直流电压源U d、LC网络、桥式整流与滤波电路和负载电阻R o ;
所述副边LCL网络连接副边全桥逆变器,副边全桥逆变器连接直流电压源U d;
所述LC网络连接桥式整流与滤波电路,桥式整流与滤波电路连接负载电阻R o 。
所述原边全桥逆变器包括一个电容C、四个开关管Q 1、Q 2、Q 3和Q 4;
所述原边LCL网络由线圈L 1、线圈L 3、补偿电容C 1组成。
所述直流电压源U的一端分别与电容C的一端、开关管Q 1的一端以及开关管Q 2的一端相连接;
直流电压源U的另一端分别与电容C的另一端、开关管Q 3的一端以及开关管Q 4的一端相连接;
开关管Q 1的另一端分别与开关管Q 3的另一端、线圈L 1的一端相连接;
开关管Q 2的另一端分别与开关管Q 4的另一端、补偿电容C 1的一端相连接;
补偿电容C 1的另一端与线圈L 3的一端相连接,线圈L 3的另一端与线圈L 1的另一端相连接。
副边LCL由线圈L 4、线圈L 5和补偿电容C 3组成;
副边全桥逆变器包括四个开关管Q 5、Q 6、Q 7和Q 8;
线圈L 4的一端分别与补偿电容C 3的一端、开关管Q 6的一端和开关管Q 8的一端相连接;
线圈L 4的另一端分别与补偿电容C 3的另一端以及线圈L 5的一端相连接;
线圈L 5的另一端分别与开关管Q 5的一端和开关管Q 7的一端相连接;
直流电压源U d的正极分别与开关管Q 5的另一端以及开关管Q 6的另一端相连接;
直流电压源U d的负极分别与开关管Q 7的另一端以及开关管Q 8的另一端相连接。
LC网络由线圈L 2和补偿电容C 2组成;
桥式整流与滤波电路由四个二极管D 1、D 2、D 3、D 4和薄膜电容C o构成;
线圈L 2的一端与补偿电容C 2的一端相连接,补偿电容C 2的另一端分别与二极管D 1的一端、二极管D 3的一端相连接;
线圈L 2的另一端分别与二极管D 2的一端、二极管D 4的一端相连接;
薄膜电容C o的一端分别与负载电阻R o 的一端、二极管D 1的另一端以及二极管D 2的另一端相连接;
薄膜电容C o的另一端分别与负载电阻R o 的另一端、二极管D 3的另一端以及二极管D 4的另一端相连接。
线圈L 1与线圈L 2的传能通道互感值为M1;
线圈L 3与线圈L 4的可调电感器互感值为M2。
一种基于磁通可调电感的无线充电系统的动态调谐方法:
所述动态调谐方法包括同向耦合和反向耦合;
在原边注入一个电流i 1,副边注入一个电流i 2,则电流i 1产生一个磁通设为Φ 1,相应的产生的电流i 1自感磁通链设为Ψ 11,电流i 1互感磁通链Ψ 21;
电流i 2产生磁通、电流i 2自感磁通链、电流i 2互感磁通链分别为Φ 2、Ψ 22、Ψ 12;
则原边线圈中的磁通链Ψ 1和副边线圈中的磁通链Ψ 2分别为
所述反向耦合具体方法如图2,具体方法为:当电流i 2与电流i 1反向,
由以上分析可知,如图1,即通过在互感副边注入一个与原边电流相位相同且大小成比例的电流,能够在互感原边呈现出不同的电感值,且原边的电感值大小与原边自感值、互感值和两个电流的比值有关小与原边自感值、互感值和两个电流的比值有关。
实际应用中难以模拟一个可调的交流电流源,可将一个直流电压源经一个全桥逆变调制为一个可控交流电压源进行应用。
由于副边相当于接了一个电压源,无法模拟副边电流为零的情况,因此在副边采用电感电容并联的结构,当等效电压源为零时发生并联谐振保证电流为零。
直流源U d的大小根据实际应用取得。
以表1中的数据为例展开本部分实施例。
表1 采用可调电感器的S-S无线充电系统参数
如图3,本实施例注入电流i 3与电流i 1保持同相,若α在[0,1]变化,则可调电感器的等效电感值在[223μH, 233μH]之间变化。可调电感器与电容C 1串联共同构成S-S拓扑的原边补偿电容,其等效电容值在[24.69nF,26.56nF]之间变化,其等效阻抗的范围为[73.26Ω,75.84Ω]。
系统工作频率为85kHz,功率电阻为15Ω,恒压源U=100V。实验结果α=0.7391,可调电感器等效电感为168.25μH(理论值为167.39μH),系统传输效率达到89%。
一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器,或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中,非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory,ROM)、可编程只读存储器(programmableROM,PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM,EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electricallyEPROM,EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory,RAM),其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明,许多形式的RAM 可用,例如静态随机存取存储器(static RAM,SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM,DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronousDRAM,SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate SDRAM,DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhancedSDRAM,ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM,SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(directrambus RAM,DR RAM)。应注意,本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中,可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时,可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时,全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中,或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输,例如,所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line,DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如,软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如,高密度数字视频光盘(digital video disc,DVD))、或者半导体介质(例如,固态硬盘(solidstate disc,SSD))等。
在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成,或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复,这里不再详细描述。
应注意,本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片,具有信号处理能力。在实现过程中,上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成,或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种基于磁通可调电感的无线充电系统及动态调谐方法,进行了详细介绍,对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于磁通可调电感的无线充电系统的动态调谐方法,其特征在于:
所述无线充电系统包括原边电路和副边电路;
所述原边LCL网络分别与副边LCL网络以及LC网络互感;
所述动态调谐方法包括同向耦合和反向耦合;
所述同向耦合具体方法为:
即通过在互感副边注入一个与原边电流相位相同且大小成比例的电流,能够在互感原边呈现出不同的电感值,且原边的电感值大小与原边自感值、互感值和两个电流的比值有关。
7.一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,其特征在于,所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-6中所述方法的步骤。
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