CN117081273A - 一种三线圈无线电能传输系统及其检测方法、控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三线圈无线电能传输系统及其检测方法、控制方法，属于无线电能传输技术领域。该系统利用负电阻自振荡控制电路对全桥逆变器进行自振荡控制，使全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位，此时全桥逆变器等效为负电阻，采用全桥逆变器作为系统的负电阻增益，增大了系统负载电阻的输出能力；并通过输出功率控制电路自动调节Boost转换器的开关管频率，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定。该系统通过检测发射端中全桥逆变器的输出电压值和输出电流值，实现了三线圈无线电能传输系统工作区间的检测及调节，使得三线圈无线电能传输系统工作在精确对称区间，保证了系统的功率输出及稳定性。

Description

一种三线圈无线电能传输系统及其检测方法、控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，特别是涉及一种三线圈无线电能传输系统及其检测方法、控制方法。
背景技术
无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术已被广泛的应用于植入式医疗设备、电动汽车、水下机器人等领域。然而对于磁共振无线电能传输而言，系统的传输效率会随着线圈耦合距离的改变而降低。
基于宇称时间（Parity-Time，PT）对称的无线电能传输系统可以有效的解决效率降低的问题。不同于磁共振无线电能传输系统，PT对称系统其线圈耦合系数在不同值时对应的工作频率也不同。当PT对称系统工作在PT精确区间时，系统的输出功率和传输效率可以保持恒定，即在PT精确区间，系统具有传输效率和输出功率对耦合系数的鲁棒性。
研究表明，具有带中继线圈的三线圈无线电能传输系统同样具有PT对称特性，同时可以有效的增加PT精确对称区间距离。对于三线圈PT对称系统，仍存在以下不足：
1.当三线圈PT对称系统参数确定时，系统在PT精确区间的输出特性也随之确定，然而在系统实际运行中需要满足一定条件的输出。因此，基于三线圈PT对称系统需要加入其他模块以实现系统输出的控制。
2.对于三线圈PT对称系统的建模分析大多采用耦合模模型建模，该模型建模不能直观反应元件参数关系以及系统增益特性。
3.对于三线圈PT对称系统的对称条件需要满足：相连线圈耦合系数相同，同时相邻线圈耦合系数应大于临界耦合系数，当三线圈PT对称系统相邻线圈耦合系数小于临界耦合系数时，系统不再处于PT精确对称区间。
因为系统的恒定输出特性只有在PT精确区间才能满足，而三线圈PT系统没有工作区间的检测方法。因此需要设计一种三线圈PT对称系统的工作状态检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种三线圈无线电能传输系统及其检测方法、控制方法，可调节三线圈无线电能传输系统工作在精确对称区间，并控制系统输出功率保持恒定。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种三线圈无线电能传输系统，所述系统包括：发射端、中继端和接收端。
所述发射端包括：直流源、Boost转换器、全桥逆变器、电流传感器、电压传感器、发射线圈、工作区间检测模块、输出功率控制电路和负电阻自振荡控制电路。
直流源与Boost转换器的输入端连接，Boost转换器的输出端与全桥逆变器的输入端连接，全桥逆变器的输出端与发射线圈的两端连接；发射线圈与中继端的中继线圈耦合，中继端的中继线圈还与接收端的接收线圈耦合；电流传感器的信号输出端分别与工作区间检测模块的输入端、负电阻自振荡控制电路的输入端和输出功率控制电路的输入端连接；电压传感器的信号输出端分别与工作区间检测模块的输入端和输出功率控制电路的输入端连接。
所述电流传感器用于实时采集全桥逆变器的输出电流；所述电压传感器用于实时采集全桥逆变器的输出电压。
负电阻自振荡控制电路的输出端与全桥逆变器的控制端连接；所述负电阻自振荡控制电路用于根据实时的输出电流产生逆变器驱动信号，并按照所述逆变器驱动信号驱动全桥逆变器，对全桥逆变器进行自振荡控制，使全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位，此时全桥逆变器等效为负电阻。
工作区间检测模块用于根据实时的输出电流和实时的输出电压检测所述系统是否工作在对称区间。
输出功率控制电路的输出端与Boost转换器的控制端连接；所述输出功率控制电路用于在所述系统工作在对称区间时，根据实时的输出电流和实时的输出电压确定所述系统的实时输出功率，并依据所述系统的实时输出功率和参考输出功率进行PI调节，生成Boost转换器的开关管驱动信号，进而通过开关管驱动信号调节Boost转换器的开关管频率，使所述系统的输出功率保持恒定。
一种三线圈无线电能传输系统的工作区间检测方法，所述检测方法应用于前述的三线圈无线电能传输系统，所述检测方法包括：在给定工作频率为固有谐振角频率的交流信号下，检测发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流；将输出电压有效值与输出电流有效值的比值确定为系统的参考输入阻抗；获取在自振荡控制下系统的实时输入阻抗，并比较实时输入阻抗和参考输入阻抗；若实时输入阻抗和参考输入阻抗相等，则判定系统工作在对称区间；若实时输入阻抗和参考输入阻抗不相等，则判定系统未工作在对称区间。
一种三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法，所述控制方法应用于前述的三线圈无线电能传输系统，所述控制方法包括：在三线圈无线电能传输系统工作在对称区间时，实时检测发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流；根据实时的输出电压有效值和实时的输出电流有效值，计算直流负载的实时电阻值；根据直流负载的实时电阻值和实时的输出电流有效值，确定直流负载的实时输出功率；依据直流负载的实时输出功率与参考输出功率，对发射端中的Boost转换器进行PI调节，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的一种三线圈无线电能传输系统中利用负电阻自振荡控制电路对全桥逆变器进行自振荡控制，使全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位，此时全桥逆变器等效为负电阻，采用全桥逆变器作为系统的负电阻增益，增大了系统负载电阻的输出能力；并通过输出功率控制电路自动调节Boost转换器的开关管频率，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定。
本发明公开的一种三线圈无线电能传输系统的工作区间检测方法，通过检测发射端全桥逆变器的输出电压和电流值，实现了三线圈无线电能传输系统的工作区间检测及调节，使得三线圈无线电能传输系统工作在精确对称区间。
本发明公开的一种三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法，在三线圈无线电能传输系统工作在对称区间时，通过测量发射端全桥逆变器的输出电压和输出电流，自动调节发射端Boost转换器开关管频率，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定，保证了三线圈无线电能传输系统的输出功率稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的三线圈无线电能传输系统的拓扑图。
图2为本发明实施例一提供的三线圈无线电能传输系统的等效电路图。
图3为本发明实施例一提供的全桥逆变器的输出电流电压波形图。
图4为本发明实施例一提供的负电阻自振荡控制电路的拓扑图。
图5为本发明实施例二提供的三线圈无线电能传输系统的工作区间检测方法的流程图。
图6为本发明实施例二提供的三线圈无线电能传输系统的工作区间检测方法的原理图。
图7为本发明实施例三提供的三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法的流程图。
图8为本发明实施例三提供的三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法的原理图。
图9为本发明实施例三提供的系统工作频率在相邻线圈耦合系数相同的条件下随总传输距离变化示意图。
图10为本发明实施例三提供的系统在负载突然改变时系统负载输出功率动态变化特性图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
本发明实施例提供了一种三线圈无线电能传输系统，包括：发射端、中继端和接收端。
所述发射端包括：直流源、Boost转换器、全桥逆变器、电流传感器、电压传感器、发射线圈、工作区间检测模块、输出功率控制电路和负电阻自振荡控制电路。
直流源与Boost转换器的输入端连接，Boost转换器的输出端与全桥逆变器的输入端连接，全桥逆变器的输出端与发射线圈的两端连接；发射线圈与中继端的中继线圈耦合，中继端的中继线圈还与接收端的接收线圈耦合；电流传感器的信号输出端分别与工作区间检测模块的输入端、负电阻自振荡控制电路的输入端和输出功率控制电路的输入端连接；电压传感器的信号输出端分别与工作区间检测模块的输入端和输出功率控制电路的输入端连接。
所述电流传感器用于实时采集全桥逆变器的输出电流；所述电压传感器用于实时采集全桥逆变器的输出电压。
负电阻自振荡控制电路的输出端与全桥逆变器的控制端连接；所述负电阻自振荡控制电路用于根据实时的输出电流产生逆变器驱动信号，并按照所述逆变器驱动信号驱动全桥逆变器，对全桥逆变器进行自振荡控制，使全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位，此时全桥逆变器等效为负电阻。
工作区间检测模块用于根据实时的输出电流和实时的输出电压检测所述系统是否工作在对称区间。
输出功率控制电路的输出端与Boost转换器的控制端连接；所述输出功率控制电路用于在所述系统工作在对称区间时，根据实时的输出电流和实时的输出电压确定所述系统的实时输出功率，并依据所述系统的实时输出功率和参考输出功率进行PI调节，生成Boost转换器的开关管驱动信号，进而通过开关管驱动信号调节Boost转换器的开关管频率，使所述系统的输出功率保持恒定。
在一个示例中，输出功率控制电路包括：电流有效值测量模块、电压有效值测量模块、负载实时电阻计算模块、负载实时功率计算模块、减法器、PI模块、限幅器和PWM生成模块。
电流传感器的信号输出端与电流有效值测量模块的输入端连接，电压传感器的信号输出端与电压有效值测量模块的输入端连接；所述电流有效值测量模块用于获得实时的输出电流有效值；所述电压有效值测量模块用于获得实时的输出电压有效值。
电流有效值测量模块的输出端和电压有效值测量模块的输出端均与负载实时电阻计算模块的输入端连接；所述负载实时电阻计算模块用于根据实时的输出电流有效值和实时的输出电压有效值，计算直流负载的实时电阻值。
负载实时功率计算模块的输入端分别与电流有效值测量模块的输出端和负载实时电阻计算模块的输出端连接，负载实时功率计算模块的输出端与减法器的输入端连接；所述负载实时功率计算模块用于根据直流负载的实时电阻值和实时的输出电流有效值，计算直流负载的实时输出功率。
PI模块的输入端与减法器的输出端连接，PI模块的输出端与限幅器的输入端连接，限幅器的输出端与PWM生成模块的输入端连接；所述减法器用于获得直流负载的实时输出功率与参考输出功率的功率误差；所述PI模块用于根据所述功率误差产生系统当前状态在参考输出功率下的Boost转换器占空比，并经过限幅器将所述Boost转换器占空比下的输出信号限幅后，传输至PWM生成模块。
PWM生成模块的输出端与Boost转换器的控制端连接，所述PWM生成模块用于依据限幅后的输出信号，生成Boost转换器中开关管的驱动信号，并通过所述驱动信号调节Boost转换器的开关管频率，使系统的输出功率保持恒定。
在另一个示例中，负电阻自振荡控制电路包括：电流转换电路、滤波相位校正电路、过零比较电路、死区生成电路和隔离驱动电路。
电流转换电路的输入端与电流传感器的信号输出端连接，电流转换电路的输出端与滤波相位校正电路的输入端连接；滤波相位校正电路的输出端与过零比较电路的输入端连接；过零比较电路的输出端与死区生成电路的输入端连接；死区生成电路的输出端与隔离驱动电路的输入端连接；隔离驱动电路的输出端与全桥逆变器的控制端连接。
电流转换电路用于将全桥逆变器的输出电流转化为电压信号。滤波相位校正电路用于对所述电压信号进行滤波和相位补偿，使补偿后的电压信号与全桥逆变器的输出电流同相位。过零比较电路用于检测补偿后的电压信号的过零点。死区生成电路用于根据所述过零点产生两路具有预设时间延迟的互补PWM波。隔离驱动电路用于根据所述两路具有预设时间延迟的互补PWM波驱动全桥逆变器的各开关管。
具体的，电流转换电路包括：电流转换器、稳压器和差分放大器。电流转换器的输入端与电流传感器的信号输出端连接，电流转换器的输出端与稳压器的输入端连接，稳压器的输出端与差分放大器的输入端连接；差分放大器的输出端与滤波相位校正电路的输入端连接。所述电流转换器用于将所述输出电流转化为电压信号，并通过稳压器将电压信号钳制在预设电压值以下后传输至差分放大器。所述差分放大器用于对稳压器输出的电压信号进行放大处理同时抑制共模噪声。
本发明的三线圈无线电能传输系统是指基于宇称时间对称的三线圈无线电能传输系统，简称为三线圈PT对称系统。三线圈PT对称系统的负电阻增益采用一种原边电流检测的负电阻自振荡控制电路，其工作原理大致为：
检测流过发射线圈的电流信号并传输至电流转换器；电流转换器将流入的电流信号转化为电压信号，稳压器将电压信号钳制在预设电压值以下，作为后级差分放大器的输入。差分放大器对稳压器输出的电压信号进行放大处理同时抑制共模噪声，能够提高信号强度和清晰度。差分放大电路的输出端与滤波相位校正电路的输入端相连。滤波相位校正电路的作用是对电压信号进行滤波和相位补偿，补偿负电阻自振荡控制电路造成的预设时间延迟。滤波相位校正电路的输出与过零比较电路相连，过零比较电路用于检测信号的过零点，并且具有数模转换功能，便于生成互补的PWM信号。过零比较电路的输出端与死区生成电路的输入端相连，死区生成电路用于产生两路具有预设时间延迟的互补PWM波，以防止全桥逆变器上下桥臂导通而形成短路。死区生成电路的输出端与隔离驱动电路的输入端相连，由于死区生成电路生成的两路PWM信号电压低、电流小不能直接驱动开关管，采用Si8271驱动芯片驱动全桥逆变器的各开关管。全桥逆变器的输出电压与输出电流具有相同相位，此时全桥逆变器可以看作一个负电阻。
图4为本发明实施例提供的负电阻自振荡控制电路的拓扑图。图4中，iT表示流经发射线圈的电流，1:n表示电流采样器中的变压器原副边匝数比。R2至R20均表示电阻，ZD1至ZD6均表示稳压二极管。电阻R2和电阻R3构成电流转换器，差分放大电路包括稳压器和差分放大器，电阻R4、电阻R5、ZD1至ZD4构成稳压器。AD8130表示差分放大电路芯片，AD8130一共有8个引脚，AD8130的引脚+IN表示正向差模信号输入端，引脚-IN表示反向差模信号输入端，引脚+VS表示AD8130的+12V供电输入端，引脚-VS表示AD8130的-12V供电输入端，引脚表示弓形下降引脚输入端，用于降低静态电流，引脚OUT表示放大器输出端，引脚REF表示复位端接地，引脚FB表示输出反馈端引脚。C4表示滤波相位校正电路中的电容，C5和C6表示死区生成电路中的两个电容。AD8611表示过零比较电路芯片，AD8611一共有8个引脚，引脚V+表示正极电源端子，引脚V-表示负极电源端子，引脚+IN表示正向差模信号输入端，引脚-IN表示反向差模信号输入端，引脚/>表示过零比较芯片的两个互补输出之一，引脚GND表示接地端，引脚LATCH表示锁存启用输入端。死区生成电路中SN74HC132表示四通道四输入与非门，PWM1,4表示产生的其中一组PWM波，PWM2,3表示与前一组互补PWM波信号，S1、S2、S3、S4为全桥逆变器的四个Mosfet管。
发射端还包括：原边补偿电路。原边补偿电路的一端与全桥逆变器的一个输出端连接，原边补偿电路的另一端与发射线圈的一端连接。中继端包括：中继线圈和中继端补偿网络；中继线圈与发射线圈耦合，中继线圈的两端分别与中继端补偿网络的两端一一对应连接。接收端包括：接收线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和直流负载；接收线圈与中继线圈耦合，接收线圈的一端与副边补偿网络的一端连接，接收线圈的另一端和副边补偿网络的另一端与整流滤波电路的两个输入端一一对应连接，整流滤波电路的两个输出端与直流负载的两端一一对应连接。
发射端、中继端、接收端补偿网络均采用电容串联补偿，补偿网络用于系统的无功补偿。发射线圈、中继线圈、接收线圈相互平行且轴心线重合。发射端补偿网络是指原边补偿电路。
图1中，直流源的直流电压源电压为UDC，发射线圈、中继线圈、接收线圈的等效电感值分别为L1、L2、L3，其谐振腔补偿电容的等效电容值分别为C1、C2、C3，负载电阻阻值为RL。从UDC到L1之间的电路为发射端，L2所在的闭合电路为中继端，从L3到RL之间的电路为接收端。
发射端：Boost转换器包括电感Lf、开关管D5、二极管和电容Cf。Boost转换器中开关管的栅极为G0，源极为S0。全桥逆变器包括四个开关管，全桥逆变器中的四个开关管的源极分别为S1、S2、S3和S4，G1,4、G2,3表示两组Mosfet管的开关信号，S1和S4的开关信号相同，S2和S3的开关信号相同，所以，将S1和S4的开关信号写作G1,4，S2和S3的开关信号写作G2,3，且G1,4和G2,3信号互补。r1为发射线圈内阻，i1为全桥逆变器的输出电流。中继端：r2为中继线圈内阻，i2为流过中继线圈的电流。接收端：r3为接收线圈内阻，i3为流过接收线圈的电流，四个二极管和电容CL构成整流滤波电路，四个二极管分别为D1、D2、D3和D4。负载电阻两端的电压为UL，负载电阻两端的电流为IL。
发射谐振腔、中继谐振腔和接收端谐振腔均采用S型补偿拓扑，图1的等效电路如图2所示。当全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位时，全桥逆变器等效为负电阻，负电阻的等效负电阻阻值为-R1，RLeq为接收端交流等效电阻阻值。
三线圈PT对称系统中全桥逆变器的输出电压和输出电流如图3所示。图3所示的坐标系的横坐标为ωt，ω是角速度，t是时间，ωt表示是随时间t而变化的角度。其中uin为全桥逆变器的输出电压，全桥逆变器的输出电压为方波电压，uin-FHA为全桥逆变器电压输出的基波，i1为全桥逆变器的输出电流，Ud表示基波电压。
在图1中所示的三线圈无线电能传输系统中，为了使系统满足宇称时间对称性，系统应满足以下特性：
。
式中，ω1、ω2、ω3分别为发射端、中继端、接收端的谐振腔固有谐振角频率；k12为发射线圈与中继线圈的耦合系数，k23为中继线圈和接收线圈的耦合系数，，/>，M12为发射线圈与中继线圈之间的互感值，M23为中继线圈与接收线圈之间的互感值，L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈以及接收线圈的等效电感值。
图3所述的逆变器输出电压与输出电流同相位，此时系统增益可以等效为负电阻，根据基尔霍夫定律，可得系统稳定运行时的状态方程为：
。
上式中，当系统处于PT精确态时，负电阻满足等式；/>、/>、/>分别为流过发射线圈、中继线圈、接收线圈的电流的相量表达；j表示虚数单位，RLeq与负载电阻RL的关系式为：
。
根据PT精确态负电阻等式，可得实时电阻值Rest为：
。
其中，Uin、I1分别为全桥逆变器的输出电压有效值、输出电流有效值。
根据P=I2R以及三线圈PT对称系统电流增益特性，可以获得实时输出功率Pest为：
。
进一步，三线圈宇称时间对称应满足以下条件：
。
式中，其中C1为发射端谐振腔补偿电容的等效电容值，ω0表示谐振腔固有谐振角频率。
当Boost转换器（Boost升压变换器）工作，此时全桥逆变器的输出电压有效值Uin为：
。
式中D为Boost转换器占空比。
根据三线圈PT对称系统输出特性，系统输出功率可以用直流源电压和Boost转换器占空比表示，直流输出功率PL的关系表达式为：
。
根据三线圈PT对称系统的频率特性，可得系统的精确对称区间的工作频率ω'为：
。
式中，rR表示接收线圈内阻，LR表示接收线圈等效电感，k表示相邻线圈耦合系数。
根据三线圈PT对称系统的频率特性，可得系统输入阻抗即全桥逆变器输出电压与输入电流有效值比值，所述三线圈PT对称系统在精确对称区间的输入阻抗Zin的关系表达式为：
。
全桥逆变器的输出电压为u0，输出电流为i0，在实际运行中，L1、L3、r1和r3均可以通过阻抗分析仪测得。
由系统稳定运行时的状态方程、三线圈PT对称系统频率特性，并结合Boost转换器输入输出关系式，可以解得用直流电压源电压UDC和Boost转换器占空比D表示的输出功率为：
。
即系统的输出功率可以通过调节Boost转换器占空比来调节输出功率。
本发明实施例公开的一种三线圈无线电能传输系统包括发射线圈、中继线圈、接收线圈、Boost转换器、全桥逆变器、整流滤波电路、电流采样模块、电压采样模块、输出功率控制电路和负电阻自振荡控制电路等，输出功率控制电路是基于STM处理器设计；获取发射端电流以及全桥逆变器输出电压进行系统负电阻的产生和系统的恒定输出功率控制。使用电流转换电路在发射端采集电流信号并转化为电压信号，通过滤波相位校正电路对该信号进行补偿，采用过零比较电路产生方波信号作为逆变器驱动信号，使发射端的全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位，可以等效为负电阻。Boost转换器通过调整全桥逆变器输入电压进而调整负电阻大小，通过实时检测发射端信号对于系统输出值的预估与设定的参考值的差值对Boost转换器进行PI实时调节，使输出功率保持恒定。系统的谐振腔均采用电容串联补偿拓扑。本申请实例在避免额外通信回路的情况下，减少了无线电能传输系统的复杂度，使系统在一定的负载变化下，具有恒定可调的系统输出。
本实施例的三线圈无线电能传输系统利用三线圈PT对称系统特性，有效的拓展了其传输距离，并且采用全桥逆变器作为系统的负电阻增益，增大了系统负载电阻的输出等级。
实施例二
如图5所示，本发明实施例提供了一种三线圈无线电能传输系统的工作区间检测方法，所述检测方法应用于实施例一的三线圈无线电能传输系统，所述检测方法包括：
步骤1：在给定工作频率为固有谐振角频率的交流信号下，检测发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流。
图6中的初始激励工作频率即为本步骤中给定的工作频率。
步骤2：将输出电压有效值与输出电流有效值的比值确定为系统的参考输入阻抗。
令检测的全桥逆变器的输出电压为u0，输出电流为i0，则u0、i0分别经过电压有效值测量模块和电流有效值测量模块得到电压有效值U0和电流有效值I0。
根据U0、I0计算系统输入阻抗Zin-0，并作为系统的参考输入阻抗，参考输入阻抗的计算式为：
Zin-0=U0/I0 。
步骤3：获取在自振荡控制下系统的实时输入阻抗，并比较实时输入阻抗和参考输入阻抗。
步骤4：若实时输入阻抗和参考输入阻抗相等，则判定系统工作在对称区间。
参考图6，当|Zin-Zin-0|< ε时，即可判定实时输入阻抗和参考输入阻抗相等，工作区间满足PT精确对称。其中，ε表示阻抗误差阈值，ε是一个绝对值很小的数，约等于0。
步骤5：若实时输入阻抗和参考输入阻抗不相等，则判定系统未工作在对称区间。
当|Zin-Zin-0|≥ ε时，即可判定工作区间不满足PT精确对称，警告系统不满足PT精确对称。
实施例二利用三线圈PT对称系统的阻抗特性，通过测量发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流，实现了三线圈PT对称系统的工作区间检测。当负载电阻和线圈位置发生变动时，通过测量发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流，检测系统是否处于PT精确对称区间。
实施例一的三线圈无线电能传输系统基于PT对称原理具有工作区间检测和调节工作区间的功能。
在判定系统未工作在对称区间后，可以调节接收线圈或中继线圈，使得接收线圈与中继线圈的耦合距离等于中继线圈与接收线圈的耦合距离，以保证系统工作在对称区间。
实施例三
如图7所示，本发明实施例提供了一种三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法，所述控制方法应用于实施例一的三线圈无线电能传输系统，所述控制方法包括以下步骤。
步骤1：在三线圈无线电能传输系统工作在对称区间时，实时检测发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流。
如图8所示，实时采集的全桥逆变器的输出电压为uin，输出电流为iT。
步骤2：根据实时的输出电压有效值和实时的输出电流有效值，计算直流负载的实时电阻值。
实时电阻值的计算公式为：
。
式中，Rest为实时电阻值，L1、L3分别为发射线圈和接收线圈的自感，Uin、I1分别为全桥逆变器的输出电压有效值、输出电流有效值，r1、r3分别为发射线圈和接收线圈内阻。
步骤3：根据直流负载的实时电阻值和实时的输出电流有效值，确定直流负载的实时输出功率。
实时输出功率的计算公式为：
。
式中，Pest为实时输出功率。
步骤4：依据直流负载的实时输出功率与参考输出功率，对发射端中的Boost转换器进行PI调节，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定。
步骤4所依据的关系式为：
。
。
。
式中，PL为直流输出功率，UDC为直流电压源电压，D为Boost转换器占空比，RLeq为系统交流等效电阻，RL为直流负载电阻。
步骤4的具体实现过程为：负载实时输出功率Pest与负载功率设定值Pref输入至减法器，得到误差信号ΔP=Pref - Pest，该误差信号ΔP经过PI模块以及限幅器，得到的复制信号进入PWM控制模块，产生Boost转换器开关管驱动信号。
本实施例利用系统PT对称特性，通过测量发射端全桥逆变器的输出电压和输出电流，自动调节发射端Boost转换器开关管频率，使系统实现三线圈无线电能传输系统的输出功率稳定控制。
系统工作在精确对称区间的前提下，控制系统输出功率不变可以保证在负载突变的情况下也能保证额定的输出功率。
下面通过仿真验证本实施例的输出功率控制方法的有效性。
三线圈无线电能传输系统的主要参数如表1所示，根据表1所示的主要参数并利用MATLAB/Simulink搭建闭环控制环境，图9为系统在相邻线圈耦合系数相同即满足三线圈PT对称条件下，系统工作频率随总传输距离变化的示意图。在设定的工作环境下在不同的时刻进行负载切换，系统的仿真结果如图10所示。
表1 系统主要参数
参数 参数值
线圈自感 L1=L2=L3=60µH
谐振电容 C1=C2=C3=2.64nF
输入电压 24V
直流负载电阻 5-15Ω
仿真结果表明，本实施例提供的输出功率控制方法可以在不同的输入电压、负载切换、相邻线圈耦合状态变化的情况下实现负载的恒功率输出。
通过实施例三可以看出，实施例一的三线圈无线电能传输系统的发射端、中继端和接收端之间无需通讯，仅需发射端信息即可实现三线圈无线电能传输系统输出功率的控制。
本发明利用三线圈PT对称系统的增益特性，仅通过系统发射端信息实现工作区间检测和输出控制，无需接收端信息，减少了发射端与接收端信息通讯带来的延时损耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例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 (10)

1.一种三线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述系统包括：发射端、中继端和接收端；
所述发射端包括：直流源、Boost转换器、全桥逆变器、电流传感器、电压传感器、发射线圈、工作区间检测模块、输出功率控制电路和负电阻自振荡控制电路；
直流源与Boost转换器的输入端连接，Boost转换器的输出端与全桥逆变器的输入端连接，全桥逆变器的输出端与发射线圈的两端连接；发射线圈与中继端的中继线圈耦合，中继端的中继线圈还与接收端的接收线圈耦合；电流传感器的信号输出端分别与工作区间检测模块的输入端、负电阻自振荡控制电路的输入端和输出功率控制电路的输入端连接；电压传感器的信号输出端分别与工作区间检测模块的输入端和输出功率控制电路的输入端连接；
所述电流传感器用于实时采集全桥逆变器的输出电流；所述电压传感器用于实时采集全桥逆变器的输出电压；
负电阻自振荡控制电路的输出端与全桥逆变器的控制端连接；所述负电阻自振荡控制电路用于根据实时的输出电流产生逆变器驱动信号，并按照所述逆变器驱动信号驱动全桥逆变器，对全桥逆变器进行自振荡控制，使全桥逆变器的输出电压与输出电流同相位，此时全桥逆变器等效为负电阻；
工作区间检测模块用于根据实时的输出电流和实时的输出电压检测所述系统是否工作在对称区间；
输出功率控制电路的输出端与Boost转换器的控制端连接；所述输出功率控制电路用于在所述系统工作在对称区间时，根据实时的输出电流和实时的输出电压确定所述系统的实时输出功率，并依据所述系统的实时输出功率和参考输出功率进行PI调节，生成Boost转换器的开关管驱动信号，进而通过开关管驱动信号调节Boost转换器的开关管频率，使所述系统的输出功率保持恒定。
2.根据权利要求1所述的三线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述输出功率控制电路包括：电流有效值测量模块、电压有效值测量模块、负载实时电阻计算模块、负载实时功率计算模块、减法器、PI模块、限幅器和PWM生成模块；
电流传感器的信号输出端与电流有效值测量模块的输入端连接，电压传感器的信号输出端与电压有效值测量模块的输入端连接；所述电流有效值测量模块用于获得实时的输出电流有效值；所述电压有效值测量模块用于获得实时的输出电压有效值；
电流有效值测量模块的输出端和电压有效值测量模块的输出端均与负载实时电阻计算模块的输入端连接；所述负载实时电阻计算模块用于根据实时的输出电流有效值和实时的输出电压有效值，计算直流负载的实时电阻值；
负载实时功率计算模块的输入端分别与电流有效值测量模块的输出端和负载实时电阻计算模块的输出端连接，负载实时功率计算模块的输出端与减法器的输入端连接；所述负载实时功率计算模块用于根据直流负载的实时电阻值和实时的输出电流有效值，计算直流负载的实时输出功率；
PI模块的输入端与减法器的输出端连接，PI模块的输出端与限幅器的输入端连接，限幅器的输出端与PWM生成模块的输入端连接；所述减法器用于获得直流负载的实时输出功率与参考输出功率的功率误差；所述PI模块用于根据所述功率误差产生系统当前状态在参考输出功率下的Boost转换器占空比，并经过限幅器将所述Boost转换器占空比下的输出信号限幅后，传输至PWM生成模块；
PWM生成模块的输出端与Boost转换器的控制端连接，所述PWM生成模块用于依据限幅后的输出信号，生成Boost转换器的开关管驱动信号。
3.根据权利要求1所述的三线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述负电阻自振荡控制电路包括：电流转换电路、滤波相位校正电路、过零比较电路、死区生成电路和隔离驱动电路；
电流转换电路的输入端与电流传感器的信号输出端连接，电流转换电路的输出端与滤波相位校正电路的输入端连接；所述电流转换电路用于将全桥逆变器的输出电流转化为电压信号；
滤波相位校正电路的输出端与过零比较电路的输入端连接；所述滤波相位校正电路用于对所述电压信号进行滤波和相位补偿，使补偿后的电压信号与全桥逆变器的输出电流同相位；
过零比较电路的输出端与死区生成电路的输入端连接；所述过零比较电路用于检测补偿后的电压信号的过零点；
死区生成电路的输出端与隔离驱动电路的输入端连接；所述死区生成电路用于根据所述过零点产生两路具有预设时间延迟的互补PWM波；
隔离驱动电路的输出端与全桥逆变器的控制端连接；所述隔离驱动电路用于根据所述两路具有预设时间延迟的互补PWM波驱动全桥逆变器的各开关管。
4.根据权利要求3所述的三线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述电流转换电路包括：电流转换器、稳压器和差分放大器；
电流转换器的输入端与电流传感器的信号输出端连接，电流转换器的输出端与稳压器的输入端连接，稳压器的输出端与差分放大器的输入端连接；差分放大器的输出端与滤波相位校正电路的输入端连接；
所述电流转换器用于将所述输出电流转化为电压信号，并通过稳压器将电压信号钳制在预设电压值以下后传输至差分放大器；
所述差分放大器用于对稳压器输出的电压信号进行放大处理同时抑制共模噪声。
5.根据权利要求1所述的三线圈无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端还包括：原边补偿电路；原边补偿电路的一端与全桥逆变器的一个输出端连接，原边补偿电路的另一端与发射线圈的一端连接；
所述中继端包括：中继线圈和中继端补偿网络；中继线圈与发射线圈耦合，中继线圈的两端分别与中继端补偿网络的两端一一对应连接；
所述接收端包括：接收线圈、副边补偿网络、整流滤波电路和直流负载；接收线圈与中继线圈耦合，接收线圈的一端与副边补偿网络的一端连接，接收线圈的另一端和副边补偿网络的另一端与整流滤波电路的两个输入端一一对应连接，整流滤波电路的两个输出端与直流负载的两端一一对应连接。
6.根据权利要求1所述的三线圈无线电能传输系统，其特征在于，为了使三线圈无线电能传输系统满足宇称时间对称性，三线圈无线电能传输系统满足以下特性：
；
式中，ω1、ω2、ω3分别为发射端、中继端、接收端的谐振腔固有谐振角频率；k12为发射线圈与中继线圈的耦合系数，k23为中继线圈和接收线圈的耦合系数，，，M12为发射线圈与中继线圈之间的互感值，M23为中继线圈与接收线圈之间的互感值，L1、L2、L3分别为发射线圈、中继线圈以及接收线圈的等效电感值。
7.一种三线圈无线电能传输系统的工作区间检测方法，其特征在于，所述检测方法应用于权利要求1-6任一项所述的三线圈无线电能传输系统，所述检测方法包括：
在给定工作频率为固有谐振角频率的交流信号下，检测发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流；
将输出电压有效值与输出电流有效值的比值确定为系统的参考输入阻抗；
获取在自振荡控制下系统的实时输入阻抗，并比较实时输入阻抗和参考输入阻抗；
若实时输入阻抗和参考输入阻抗相等，则判定系统工作在对称区间；
若实时输入阻抗和参考输入阻抗不相等，则判定系统未工作在对称区间。
8.一种三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求1-6任一项所述的三线圈无线电能传输系统，所述控制方法包括：
在三线圈无线电能传输系统工作在对称区间时，实时检测发射端中全桥逆变器的输出电压和输出电流；
根据实时的输出电压有效值和实时的输出电流有效值，计算直流负载的实时电阻值；
根据直流负载的实时电阻值和实时的输出电流有效值，确定直流负载的实时输出功率；
依据直流负载的实时输出功率与参考输出功率，对发射端中的Boost转换器进行PI调节，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定。
9.根据权利要求8所述的三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法，其特征在于，所述实时电阻值的计算公式为：
；
式中，Rest为实时电阻值，L1、L3分别为发射线圈、接收线圈的等效电感值，Uin、I1分别为全桥逆变器的输出电压有效值、输出电流有效值，r1为发射线圈内阻，r3为接收线圈内阻；
所述实时输出功率的计算公式为：
；
式中，Pest为实时输出功率。
10.根据权利要求9所述的三线圈无线电能传输系统的输出功率控制方法，其特征在于，依据直流负载的实时输出功率与参考输出功率，对发射端中的Boost转换器进行PI调节，使三线圈无线电能传输系统的输出功率保持恒定，所依据的关系式为：
；
；
；
式中，PL为直流输出功率，UDC为直流电压源电压，D为Boost转换器占空比，RLeq为系统交流等效电阻，RL为直流负载电阻。
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