三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法，其中三諧振線圈無線電能系統(tǒng)包括頻率可調(diào)功率源、無線電能傳輸裝置、負(fù)載和頻率調(diào)節(jié)控制器?？刂品椒ㄍㄟ^無線電能傳輸接收裝置反饋信號給頻率控制器以得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而頻率控制器根據(jù)工作頻率與傳輸距離之間的關(guān)系調(diào)節(jié)可調(diào)頻率功率源的頻率，使無線電能傳輸裝置在傳輸距離變化時，負(fù)載輸出功率維持在最大水平；輸出電壓調(diào)節(jié)裝置對無線電能接收裝置的輸出進(jìn)行AC-DC變換或AC-DC-AC變換以給負(fù)載供電。該發(fā)明實現(xiàn)了三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)的最大功率輸出，適合于電動汽車等中大功率的無線充電系統(tǒng)。
【專利說明】三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2006年，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員利用物理的共振原理成功的在2m距離左右以40%的效率點亮了一個60W的燈泡，該實驗成為了無線電能傳輸技術(shù)的一個新突破，實現(xiàn)了中等距離的全方位的無線電能傳輸，并掀起了全世界無線電能傳輸研究的熱潮。
[0003]其實早在MIT實驗成功的100多年前，美國發(fā)明家特斯拉(Nicola Tesla)就實現(xiàn)了類似的技術(shù)，但此后的很長時間內(nèi)，無線電能傳輸技術(shù)發(fā)展緩慢。
[0004]MIT實驗成功后，世界各國的研究人員對諧振耦合無線電能傳輸進(jìn)行了大量深入的研究，對系統(tǒng)的建模和最大功率、最大效率控制方法取得了卓有成效的研究成果。在實現(xiàn)最大功率或最大效率的方法上有自動阻抗匹配方法和自動頻率跟蹤方法，這兩種方法的可行性已經(jīng)在實驗中得到驗證。
[0005]但目前的最大功率控制方法大部分是基于諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)失諧問題進(jìn)行控制的，例如采用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)，也有對諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)本身的頻率分裂現(xiàn)象進(jìn)行控制的?；阪i相環(huán)(PLL)技術(shù)的控制方法只能在小范圍內(nèi)對輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)一旦遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離諧振頻率時，控制方法失去作用。基于頻率分裂現(xiàn)象的控制方法是對系統(tǒng)本身的特性進(jìn)行控制，具有較好的性能，但目前此控制方法的分析還不夠全面，無法應(yīng)用于本發(fā)明所提及的三諧振線圈模型。另外，對于其他的補(bǔ)償電容矩陣或可調(diào)電容來進(jìn)行調(diào)節(jié)頻率的方法，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制的復(fù)雜性。并且，諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)通常采用四諧振線圈模型，這種接收端為兩個線圈的情況在實際使用中存在極大的不方便，因此可以省去一個負(fù)載線圈；而發(fā)射端由于可以固定在某個位置，采用兩個線圈是可以實現(xiàn)的。因此，采用三諧振線圈的無線電能傳輸系統(tǒng)更加具有實用性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法，實現(xiàn)在一定距離內(nèi)無線電能傳輸系統(tǒng)的最大功率傳輸。
[0007]本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0008]三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法，所述三諧振線圈無線電能系統(tǒng)包括頻率可調(diào)功率源、無線電能傳輸裝置和負(fù)載，所述無線電能傳輸裝置包括無線電能發(fā)射裝置、無線電能接收裝置和輸出電壓調(diào)節(jié)裝置；其特征在于通過無線電能傳輸接收裝置反饋信號給頻率控制器以得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而頻率控制器根據(jù)工作頻率與傳輸距離之間的關(guān)系調(diào)節(jié)可調(diào)頻率功率源的頻率，使無線電能傳輸裝置在傳輸距離變化時，負(fù)載輸出功率維持在最大水平；所述輸出電壓調(diào)節(jié)裝置對無線電能接收裝置的輸出進(jìn)行AC-DC變換或AC-DC-AC變換以給負(fù)載供電。[0009]進(jìn)一步的，無線電能傳輸裝置采用諧振耦合的方式實現(xiàn)。
[0010]進(jìn)一步的，無線電能傳輸接收裝置發(fā)送紅外信號給頻率控制器，頻率控制器根據(jù)無線電能傳輸接收裝置反饋的信號得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而根據(jù)控制頻率與傳輸距離的關(guān)系通過DSP或FPGA編程實現(xiàn)對頻率可調(diào)功率源進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:采用諧振耦合方式實現(xiàn)無線電能傳輸，實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的自動調(diào)節(jié)，在同樣傳輸距離內(nèi)實現(xiàn)最大功率的傳輸，并維持在穩(wěn)定的水平。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明方案的示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明方案頻率可調(diào)功率源的具體實施電路圖。
[0014]圖3為三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖。
[0015]圖4為三諧振線圈模型的等效電路圖。
[0016]圖5為三諧振線圈模型的頻率f與耦合系數(shù)k關(guān)系的頻率分裂圖。
[0017]圖6為有頻率調(diào)節(jié)和固定頻率的S參數(shù)與耦合系數(shù)k的關(guān)系曲線圖。
具體實施方案
[0018]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施作進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的實施和保護(hù)不限于此。
[0019]實施例1
[0020]圖1為本發(fā)明方案的示意圖。圖2為本發(fā)明方案頻率可調(diào)功率源的具體實施電路圖，包括一個開關(guān)管S,第一電容Ctl,第二電容C,第一電感Ltl,第二電感L和負(fù)載R。
[0021]圖3是本發(fā)明三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)的示意圖。無線電能傳輸發(fā)射裝置由諧振線圈I和諧振線圈2組成，無線電能傳輸接收裝置由諧振線圈3組成。以下以此模型為例，說明本發(fā)明的控制方法。
[0022]圖4為本發(fā)明三諧振無線電能傳輸系統(tǒng)示意圖的簡化等效電路模型(不考慮諧振線圈I和3之間的耦合)。圖4中，Rs為源內(nèi)阻，&為負(fù)載電阻，諧振線圈I等效為電感U、電容C1和線圈內(nèi)阻R1,諧振線圈2等效為電感L2、電容C2和線圈內(nèi)阻R2,諧振線圈3等效為電感L3、電容C3和線圈內(nèi)阻R3。
[0023]電路模型的參數(shù)為:源內(nèi)阻:RS=50Q ;負(fù)載電阻:Rl=50Q ;線圈電感I1=I μ H，L2=L3=20 μ H ;電容:^=253--, C2=C4=12.67pF ;線圈內(nèi)阻=R1=0.2Ω，R2=R3=0.5 Ω ;耦合系數(shù)
k12=0.1o
[0024]根據(jù)基爾霍夫電壓定律，得:
【權(quán)利要求】
1.三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法，所述三諧振線圈無線電能系統(tǒng)包括頻率可調(diào)功率源(I )、無線電能傳輸裝置(2 )和負(fù)載(3 )，所述無線電能傳輸裝置(2 )包括無線電能發(fā)射裝置、無線電能接收裝置和輸出電壓調(diào)節(jié)裝置；其特征在于通過無線電能傳輸接收裝置反饋信號給頻率控制器(4)以得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而頻率控制器(4)根據(jù)工作頻率與傳輸距離之間的關(guān)系調(diào)節(jié)可調(diào)頻率功率源(I)的頻率，使無線電能傳輸裝置(2)在傳輸距離變化時，負(fù)載(3)輸出功率維持在最大水平；所述輸出電壓調(diào)節(jié)裝置對無線電能接收裝置的輸出進(jìn)行AC-DC變換或AC-DC-AC變換以給負(fù)載(3)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法，其特征在于無線電能傳輸裝置(2)采用諧振耦合的方式實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三諧振線圈無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率控制方法，其特征在于無線電能傳輸接收裝置發(fā)送紅外信號給頻率控制器(4)，頻率控制器(4)根據(jù)無線電能傳輸接收裝置反饋的信號得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而根據(jù)控制頻率與傳輸距離的關(guān)系通過DSP或FPGA編程實現(xiàn)對頻率可調(diào)功率源(I)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)。
【文檔編號】H02J17/00GK103812229SQ201310629569
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】張波, 黃潤鴻, 丘東元 申請人:華南理工大學(xué)