一種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法，包括直流電源、高頻逆變器、互感耦合磁路機(jī)構(gòu)、原副邊無功補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、可變負(fù)載以及功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)，其特征在于：原邊磁能發(fā)射線圈由兩個(gè)相同的螺線管線圈組成，而副邊磁能拾取線圈位于原邊兩個(gè)螺線管線圈之間中心位置并且可以在空間內(nèi)圍繞副邊磁能拾取線圈水平軸旋轉(zhuǎn)，該副邊磁能拾取線圈與負(fù)載之間是通過功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)連接。其顯著效果是：通過功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)副邊磁能拾取線圈的旋轉(zhuǎn)角度，使系統(tǒng)獲得大范圍內(nèi)靈活可調(diào)的輸出功率和較高的系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)的損耗，并且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。
【專利說明】一種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法，具體涉及ー種高效寬范圍功率可調(diào)的無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無線電能傳輸系統(tǒng)是通過松散電磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，但是由于磁場的空間傳播特性以及強(qiáng)衰減特征，傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)的磁路的耦合系數(shù)較低，致使副邊磁能拾取線圈與原邊磁能發(fā)射線圈之間的相對空間距離受到非常嚴(yán)格的限制，從而導(dǎo)致無線電能傳輸系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)范圍小。
[0003]為實(shí)現(xiàn)在一定的相對空間距離內(nèi)，提高系統(tǒng)輸出功率的調(diào)節(jié)范圍，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出功率在寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，目前通常采用以下的幾種方法:
[0004](I)提高系統(tǒng)輸入電壓
[0005]這種方法在不改變耦合系數(shù)的情況下，通過增加輸入電壓，從而以提高原邊磁能發(fā)射線圈中的電流來増大副邊磁能拾取線圈上的拾取電壓目的，雖然可以增大無線電能傳輸系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)范圍，但這種盲目增大輸入電壓的方法，不僅増大了器件的開關(guān)應(yīng)力和系統(tǒng)成本，而且降低了系統(tǒng)效率，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中并不常見。
[0006]( 2 )優(yōu)化設(shè)計(jì)磁路耦合機(jī)構(gòu)及參數(shù)
[0007]這種方法主要是對原副邊磁能線圈的材料、結(jié)構(gòu)、大小以及系統(tǒng)的諧振頻率等進(jìn)行優(yōu)化選取，是目前設(shè)計(jì)無線電能傳輸系統(tǒng)磁路機(jī)構(gòu)時(shí)最常見的方法，并已經(jīng)取得了一定的效果，最大限度的優(yōu)化提高了系統(tǒng)傳輸功率調(diào)節(jié)范圍。
[0008]由于不同的應(yīng)用環(huán)境下對不同負(fù)載功率要求的不同，負(fù)載電阻阻值的變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)反射阻抗的變化，從而引起系統(tǒng)傳輸功率的改變。目前為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)傳輸功率的控制和調(diào)節(jié)，通常采用以下的幾種功率控制方法:(I)原邊和副邊串聯(lián)DC/DC變換器；(2)原邊或者副邊失諧控制；(3)副邊短路解耦控制；(4)原邊移相控制；(5)原邊能量注入控制。針對以上幾種功率控制方法的不足，中國實(shí)用新型專利201020277910.1公開了ー種無線電能傳輸系統(tǒng)的功率控制方法，實(shí)現(xiàn)了功率的有效調(diào)節(jié)，具有開關(guān)損耗小、轉(zhuǎn)換效率聞等優(yōu)點(diǎn)，但也存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度較大、功率調(diào)節(jié)裝置依然存在開關(guān)損耗等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的就是針對傳統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)中存在功率調(diào)節(jié)范圍小、功率調(diào)節(jié)靈活性不高、功率調(diào)節(jié)裝置存在開關(guān)損耗等因素，提出ー種基于互感耦合參數(shù)調(diào)節(jié)的高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)及控制方法，既可保證副邊能量拾取機(jī)構(gòu)在磁場空間拾取能量時(shí)控制的靈活性，又可實(shí)現(xiàn)拾取能量的大范圍可調(diào)，且整體系統(tǒng)效率較高。
[0010]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0011]一種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，包括直流電源、高頻逆變器、互感耦合磁路機(jī)構(gòu)、原副邊無功補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、可變負(fù)載以及功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)，其中直流電源可以通過市電經(jīng)過整流濾波獲取，高頻逆變器可以采用半橋式、全橋式或者推挽式等逆變電路。
[0012]所述的直流電源、高頻逆變器、互感耦合磁路機(jī)構(gòu)、原副邊無功補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、可變負(fù)載組成了ー個(gè)典型的無線電能傳輸系統(tǒng)。
[0013]所述的功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)由負(fù)載電壓檢測電路、負(fù)載電流檢測電路、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、伺服控制器、電機(jī)以及電機(jī)與副邊磁能拾取線圈之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。
[0014]所述的互感諧振耦合磁路機(jī)構(gòu)是由原邊磁能發(fā)射部分和副邊磁能拾取部分組成，其中原邊磁能發(fā)射部分是由兩個(gè)螺線管線圈構(gòu)成，且兩個(gè)螺線管線圈以并聯(lián)方式連接在原邊高頻逆變電路輸出之后；副邊磁能拾取部分主要包含一個(gè)可在空間旋轉(zhuǎn)的磁能拾取螺線管線圈。
[0015]所述的兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈的材料、大小、匝數(shù)、電感參數(shù)完全一致，螺旋方向相同，并且在幾何位置上，兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈同垂直軸分布排列。
[0016]所述的副邊磁能拾取線圈位于兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈之間中心位置，兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈之間間距大于副邊磁能拾取線圈的直徑和螺線管長度，保證副邊線圈可在兩個(gè)原邊線圈之間任意轉(zhuǎn)動(dòng)，并且副邊線圈與兩個(gè)原邊線圈具有相同的互感耦合關(guān)系。
[0017]所述的兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈位置固定不變，副邊磁能拾取線圈可在兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈之間的空間內(nèi)圍繞副邊磁能拾取線圈的水平軸旋轉(zhuǎn)；副邊磁能拾取線圈的垂直軸線與兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈的垂直軸線之間的夾角定義為線圈夾角a (0° < a <90° )，調(diào)節(jié)a即可改變副邊磁能拾取線圈與磁場的感應(yīng)耦合面的有效面積，從而改變原副邊線圈之間的耦合系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率的要求。
[0018]所述的無線電能傳輸系統(tǒng)中，由于負(fù)載電阻和原副邊互感耦合系數(shù)的變化，導(dǎo)致反射阻抗的變化，從而會(huì)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，因此為了降低參數(shù)變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈和副邊磁能拾取線圈的諧振補(bǔ)償方式均采用串電容諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
[0019]本系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)伺服控制方法:
[0020](I)上電初始化:系統(tǒng)上電初始時(shí)刻,副邊磁能拾取線圈中心軸與兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈中心軸位置正交分布，即線圈夾角a =90°，那么系統(tǒng)上電初始時(shí)刻，負(fù)載輸出電壓為O。
[0021](2)設(shè)定負(fù)載功率需求值:設(shè)定負(fù)載需求功率，送入DSP芯片作為理論給定值。
[0022](3)負(fù)載初始供電及負(fù)載輸出電壓和輸出電流的檢測:線圈夾角a由90°減小一個(gè)電角度，從而使得負(fù)載拾取到一定的能量，通過電壓互感器和電流互感器檢測負(fù)載電壓和電流。
[0023](4)數(shù)據(jù)采樣與處理:以數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制核心，將負(fù)載電壓和負(fù)載電流采樣信號(hào)送入DSP芯片，通過計(jì)算獲得實(shí)時(shí)負(fù)載輸出功率，并與給定值進(jìn)行比較，得到實(shí)際值與理論值誤差。
[0024](5)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率:根據(jù)誤差信號(hào)，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，由DSP發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)伺服控制器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)副邊磁能拾取線圈精確調(diào)節(jié)線圈夾角a，改變原副邊磁能線圈之間耦合系數(shù)，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率。
[0025]有益效果[0026]由于采用了上述方案，系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)簡單，只需增加一路原邊磁能發(fā)射線圏，基于磁場干涉疊加原理，即可在不改變輸入電壓的前提下成倍提高副邊磁能拾取線圈獲得原邊發(fā)射磁能的能力，從而增大系統(tǒng)傳輸功率調(diào)節(jié)范圍；通過伺服電機(jī)控制副邊磁能拾取線圈在兩個(gè)原邊磁能發(fā)射線圈之間旋轉(zhuǎn)角度，改變副邊磁能拾取線圈與磁場的感應(yīng)耦合面的有效面積(即感應(yīng)線圈面與磁力線的等效垂直面)，即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)原副邊線圈互感耦合系數(shù)，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)寬范圍內(nèi)的功率調(diào)節(jié)，無需増加開關(guān)變換電路，從而不產(chǎn)生開關(guān)損耗；同吋，由于增加了一路邊磁能發(fā)射線圈，増加了副邊磁能拾取線圈的電流，從而等效増加了副邊負(fù)載反射到原邊的等效阻抗，從而在提高系統(tǒng)傳輸功率范圍的同時(shí)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。
[0027]優(yōu)點(diǎn):由于副邊磁能拾取線圈可空間靈活調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輸出功率大范圍內(nèi)靈活可調(diào)；提高了系統(tǒng)效率，降低了系統(tǒng)損耗；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是傳統(tǒng)無線電能傳輸系統(tǒng)的原理框圖。
[0029]圖2是本發(fā)明的原理框圖。
[0030]圖3是本發(fā)明中副邊磁能拾取線圈旋轉(zhuǎn)在不同位置時(shí)刻互感耦合機(jī)構(gòu)示意圖。
[0031]圖4是本發(fā)明中功率調(diào)節(jié)伺服控制原理框圖。
[0032]圖中，1、輸入直流電壓Ed。；2、高頻逆變電路；3、原邊諧振補(bǔ)償電容；4、原邊磁能發(fā)射線圈；5、副邊磁能拾取線圈；6、原副邊磁能線圈互感；7、副邊諧振補(bǔ)償電容；8、副邊整流濾波電路；9、可變負(fù)載；10、負(fù)載功率給定輸入系統(tǒng)；11、電壓檢測電路；12、電流檢測電路；
13、DSP控制芯片；14、伺服控制器；15、電機(jī)；16、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；17、原邊磁能發(fā)射線圈垂直軸；18、副邊磁能拾取線圈水平軸。
具體實(shí)施方案
[0033]實(shí)施例1:本發(fā)明包括高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)和控制方法，具體方案如下:
[0034]一種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，包括輸入直流電壓1、高頻逆變電路
2、原邊諧振補(bǔ)償電容3、原邊磁能發(fā)射線圈4、副邊磁能拾取線圈5、副邊諧振補(bǔ)償電容7、副邊整流濾波電路8、可變負(fù)載9、負(fù)載功率給定輸入系統(tǒng)10、電壓檢測電路11、電流檢測電路12、DSP控制芯片13、伺服控制器14、電機(jī)15、連接電機(jī)與副邊磁能拾取線圈之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)16，其中直流電源可以通過市電經(jīng)過整流濾波獲取，高頻逆變器可以采用半橋式、全橋式或者推挽式等逆變電路。
[0035]所述的高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)中的互感諧振耦合磁路機(jī)構(gòu)是由原邊磁能發(fā)射線圈4和副邊磁能拾取線圈5組成，其中原邊磁能發(fā)射線圈4是由兩個(gè)螺線管線圈構(gòu)成，且兩個(gè)螺線管線圈以并聯(lián)方式連接在原邊高頻逆變電路3輸出之后；副邊磁能拾取線圈主要包含一個(gè)可在空間旋轉(zhuǎn)的螺線管線圈。
[0036]所述的原邊磁能發(fā)射線圈4中兩個(gè)螺線管線圈在幾何位置上同垂直軸17分布排列，兩個(gè)螺線管線圈的材料、大小、匝數(shù)、電感參數(shù)完全一致，螺旋方向相同。
[0037]所述的副邊拾取線圈5位于原邊磁能發(fā)射線圈4中兩個(gè)螺線管線圈之間的中心位置，兩個(gè)螺線管線圈之間間距大于副邊磁能拾取線圈5的直徑和螺線管線圈長度，副邊磁能拾取線圈5與原邊磁能發(fā)射線圈4中兩個(gè)螺線管線圈之間具有相同的互感耦合關(guān)系，同為M。
[0038]所述的原邊磁能發(fā)射線圈4中兩個(gè)螺線管線圈分別與原邊諧振補(bǔ)償電容3中兩個(gè)電容組成串聯(lián)諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，副邊磁能拾取線圈5與副邊諧振補(bǔ)償電容7組成串聯(lián)諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，當(dāng)可變負(fù)載9變化時(shí)，原副邊線圈同時(shí)采用串聯(lián)諧振能保證系統(tǒng)輸出頻率的穩(wěn)定性。
[0039]通過分析和計(jì)算，對于如圖1所示傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)，在原副邊完全諧振情況下，其副邊可變電阻9反射到原邊的反射阻抗為
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括直流電源、高頻逆變器、互感耦合磁路機(jī)構(gòu)、原副邊無功補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、可變負(fù)載以及功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)，其中直流電源可以通過市電經(jīng)過整流濾波獲取，高頻逆變器可以采用半橋式、全橋式或者推挽式等逆變電路； 所述的直流電源、高頻逆變器、互感耦合磁路機(jī)構(gòu)、原副邊無功補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和可變負(fù)載組成了ー個(gè)典型的無線電能傳輸系統(tǒng)； 所述的功率調(diào)節(jié)伺服控制機(jī)構(gòu)由負(fù)載電壓檢測電路、負(fù)載電流檢測電路、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、伺服控制器、電機(jī)以及電機(jī)與副邊磁能拾取線圈之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:互感耦合磁路機(jī)構(gòu)是由原邊磁能發(fā)射線圈和副邊磁能拾取線圈組成，其中原邊磁能發(fā)射線圈是由兩個(gè)螺線管線圈構(gòu)成，且兩個(gè)螺線管線圈以并聯(lián)方式連接在原邊高頻逆變器輸出之后；副邊磁能拾取線圈主要包含一個(gè)可在空間旋轉(zhuǎn)的螺線管線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:原邊磁能發(fā)射線圈中兩個(gè)螺線管線圈同垂直軸分布排列，且兩個(gè)螺線管線圈材料、大小、匝數(shù)、電感參數(shù)完全一致,螺旋方向相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:副邊磁能拾取線圈位于原邊兩個(gè)螺線管線圈之間中心位置，原邊兩個(gè)螺線管線圈之間間距大于副邊磁能拾取線圈的 直徑和螺線管線圈長度，且副邊磁能拾取線圈與原邊兩個(gè)螺線管線圈之間的具有相同的互感耦合關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:原邊磁能發(fā)射線圈中兩個(gè)螺線管線圈位置固定不變，副邊磁能拾取線圈可在原邊兩個(gè)螺線管線圈之間的空間內(nèi)圍繞副邊磁能拾取線圈水平軸旋轉(zhuǎn)；副邊磁能拾取線圈垂直軸線與原邊兩個(gè)螺線管線圈垂直軸線之間的夾角定義為線圈夾角a (0° < a ^90° )，調(diào)節(jié)a即可改變副邊磁能拾取線圈與磁場的感應(yīng)耦合面的有效面積，從而改變原副邊磁能線圈之間的耦合系數(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率的要求。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于:原邊磁能發(fā)射線圈中兩個(gè)螺線管線圈和副邊磁能拾取線圈的諧振補(bǔ)償方式均采用串聯(lián)電容諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；負(fù)載變化時(shí)，原副邊磁能線圈同時(shí)采用串聯(lián)諧振能保證系統(tǒng)輸出頻率的穩(wěn)定性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高效寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)的控制方法，其特征在于: (1)上電初始化:系統(tǒng)上電初始時(shí)刻，副邊磁能拾取線圈垂直軸與原邊兩個(gè)螺線管線圈垂直軸位置呈正交分布，即線圈夾角a =90°，原副邊磁能線圈之間的耦合系數(shù)為0，那么系統(tǒng)上電初始時(shí)刻，負(fù)載輸出電壓為0 ; (2)設(shè)定負(fù)載功率需求值:設(shè)定負(fù)載需求功率，送入DSP芯片作為理論給定值； (3)負(fù)載初始供電及負(fù)載輸出電壓和輸出電流檢測:線圈夾角a由90°減小一個(gè)電角度，從而使得負(fù)載拾取到一定的能量，通過電壓互感器和電流互感器檢測負(fù)載電壓和電流； (4)數(shù)據(jù)采樣與處理:以數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為控制核心，將負(fù)載電壓和負(fù)載電流采樣信號(hào)送入DSP芯片，通過計(jì)算獲得實(shí)時(shí)負(fù)載輸出功率，并與給定值進(jìn)行比較，得到實(shí)際值與理論值誤差； (5)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率:根據(jù)誤差信號(hào)，采用相關(guān)的控制算法，由DSP發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)伺服控制器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)副邊磁能拾取線圈精確調(diào)節(jié)線圈夾角a，改變原副邊磁能`線圈之間耦合系數(shù)，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK103560597SQ201310565530
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】夏晨陽, 莊裕海, 邵祥, 童為為, 林克章, 解光慶, 王延熇, 年長春 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)