CN107612161B - 一种宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路 - Google Patents

Abstract

一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输***电路拓扑及控制策略，属于无线电能传输技术领域。电能传输***电路包括两个多谐振结构、可变频电源、状态检测和频率控制器、变频控制策略模块、耦合机构和报警装置。本发明所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略，它适配于无线充电***，所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略能够使无线电能传输***适应更大的位移偏差。

Description

一种宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路

技术领域

本发明涉及应用于无线充电***的稳定传输功率的变频控制策略，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

目前的无线电能传输技术，如手机无线充电、机器人、电动汽车无线充电等面临一个严峻的问题，随着耦合机构的空间位置偏离了最佳对准位置导致了电能传输***耦合系数的变化，这一变化极大的降低了***的传输功率，影响了设备的正常充电。所以现有技术对于线圈对准具有较高的要求。

发明内容

本发明目的是改善无线电能传输***有效范围小，抗位移能力差的问题。该技术提供了一种基于多谐振补偿网络的变频控制策略。该技术将应用于手机无线充电、机器人、电动汽车无线充电以及双向无线电能传输当中。本发明给出了基于多谐振补偿结构的变频无线电能传输电路以及变频控制策略。本发明所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略，它适配于无线充电***，所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略能够使无线电能传输***适应更大的位移偏差。

一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输***电路，电能传输***电路包括两个多谐振结构1、可变频电源2、状态检测和频率控制器3、变频控制策略模块4、耦合机构5和报警装置；一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的初级绕组端，并且，该多谐振结构1的两电源端与所述可变频电源2的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源2 的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构 5的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。

进一步地，所述多谐振结构1采用双边LCC补偿网络结构、LCL补偿网络结构或复合串并联补偿网络结构等具有多谐振特性的补偿网络结构。

进一步地，基于双边LCC补偿网络结构的电能传输***电路包括可变频电源U_P、两个谐振电感元件L₁₁和L₁₂、两个谐振电容元件C₁₁和C₁₂、两个谐振电容元件C₂₁和C₂₂、耦合机构初级绕组L₂₁、耦合机构次级绕组L₂₂、电阻r₂和负载R_L、状态检测和频率控制器3和变频控制策略模块4；所述耦合机构初级绕组L₂₁的两端分别串联一个谐振电容元件C₂₁和电阻r₂，并且，所述耦合机构初级绕组L₂₁、一个谐振电容元件C₂₁和电阻r₂构成的串联结构与一个所述谐振电容元件C₁₁构成一个并联谐振腔，该并联谐振腔与一个谐振电感元件L₁₁串联，并且所述一个谐振电感元件L₁₁与所述可变频电源U_P串联；所述一个L₂₁C₁₁C₂₁并联谐振腔与串联的一个谐振电感元件L₁₁、可变频电源U_P形成闭合回路；

所述耦合机构次级绕组L₂₂的一端串联另一谐振电容元件C₂₂，所述耦合机构次级绕组L₂₂与另一谐振电容元件C₂₂构成的串联结构与另一所述谐振电容元件C₁₂并联构成次级并联谐振腔；所述次级并联谐振腔与另一谐振电感元件L₁₂串联，并且所述另一谐振电感元件L₁₂与所述负载R_L串联；

所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源U_P的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构初级绕组L₂₁和耦合机构次级绕组L₂₂的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。

进一步地，所述双边LCC补偿网络结构的谐振频率分别为：

其中，λ表示为电容比，

所述双边LCC补偿网络结构的谐振电感元件L₁₁和谐振电感元件L₂₁的参数计算公式为：

所述双边LCC补偿网络结构的变频点耦合系数为：

其中，r_p表示可变频电源内阻；r₂表示线圈内阻；R_L表示简化后的负载。

进一步地，所述变频控制策略模块4采用的变频控制策略为：

第一步：将可变频电源2的工作频率调制到使用频率三，并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率三时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；

第二步：如果第一步所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源2的工作频率调制到使用频率二；并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率二时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；

第三步：如果第二步所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率一；并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率一时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；如果所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则启动报警装置进行报警。

进一步地，所述使用频率三的频率值范围为：85kHz±5kHz；所述使用频率二的频率值范围为：10kHz-85kHz；所述使用频率一的频率值范围为：85kHz-200kHz。(该频率范围根据目前行业标准设计，实际应用应根据实际需求按照前述频率公式进行设计)

进一步地，所述变频控制策略模块4采用的变频控制策略为：

步骤一：启动数据测量模块检测耦合机构之间(即耦合机构的初级绕组跟次级绕组之间) 的距离；

步骤二：将步骤一检测到的耦合机构之间的距离转化为耦合系数；

步骤三：通过步骤二获得的耦合系数判断耦合机构所应选用的最佳输出频率进行能量传输；

步骤四：如果耦合机构在充电中发生位移则重复步骤一。

本发明有益效果：

与现有单谐振频率无线电能传输***相比，本发明所提出的这种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输***电路拓扑及控制策略具有以下优点：

1)通过使用多谐振补偿网络，使得***能够在更多的谐振频率下进行无线电能传输，从而适应更宽范围的耦合系数变化，最终实现在较大位移内实现稳定的无线电能传输的目的。

2)这一发明对无线电能传输***设计思路以及控制方法做出了大幅改进。

本发明所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略所采用的补偿网络具有对称性，具有双向电能传输的能力。

附图说明

图1是本发明所述基于多谐振补偿网络的变频控制无线电能传输***多谐振补偿网络示例电路图。

图2是本发明所述***原理框图。

图3是本发明所述控制策略原理解析示意图。

图4是本发明所述控制策略流程图。

图5是本发明所述控制策略流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1

一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输***电路，如图2所示，电能传输***电路包括两个多谐振结构1、可变频电源2、状态检测和频率控制器3、变频控制策略模块4、耦合机构5和报警装置；一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的初级绕组端，并且，该多谐振结构1的两电源端与所述可变频电源2的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构1 设置于耦合机构5的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源2的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构5的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。

实施例2

实施例2是对实施例1所述适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输***电路的进一步限定，所述电能传输***电路中的多谐振结构1采用双边LCC补偿网络结构。具体的：

基于双边LCC补偿网络结构的电能传输***电路包括可变频电源UP、两个谐振电感元件 L₁₁和L₁₂、两个谐振电容元件C₁₁和C₁₂、两个谐振电容元件C₂₁和C₂₂、耦合机构初级绕组L₂₁、耦合机构次级绕组L₂₂、电阻r₂和负载R_L、状态检测和频率控制器3和变频控制策略模块4；所述耦合机构初级绕组L₂₁的两端分别串联一个谐振电容元件C₂₁和电阻r₂，并且，所述耦合机构初级绕组L₂₁、一个谐振电容元件C₂₁和电阻r₂构成的串联结构与一个所述谐振电容元件C₁₁构成一个并联谐振腔，该并联谐振腔与一个谐振电感元件L₁₁串联，并且所述一个谐振电感元件L₁₁与所述可变频电源U_P串联；所述一个L₂₁C₁₁C₂₁并联谐振腔与串联的一个谐振电感元件L₁₁、可变频电源U_P形成闭合回路；

所述耦合机构次级绕组L₂₂的一端串联另一谐振电容元件C₂₂，所述耦合机构次级绕组L₂₂与另一谐振电容元件C₂₂构成的串联结构与另一所述谐振电容元件C₁₂并联构成次级并联谐振腔；所述次级并联谐振腔与另一谐振电感元件L₁₂串联，并且所述另一谐振电感元件L₁₂与所述负载R_L串联；

所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源UP的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构初级绕组L₂₁和耦合机构次级绕组L₂₂的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。

多谐振结构以双边LCC补偿为例，双边LCC结构本身具有一定抗偏移能力，属于一种多谐振补偿网络，同时由于高度对称性能够适应双向无线电能传输。下面以双边LCC结构为例给出设计方法，图1所示结构即为双边LCC无线电能传输***电路图，图中U_p代表变频电源；L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂、C₁₁、C₁₂、C₂₁、C₂₂为谐振元件；r_p表示电源内阻；r₂表示线圈内阻；R_L表示简化后的负载，其包含但不限于电池、整流桥等负载。图1电路对应谐振频率ω₁、ω₂、ω₃由式(1.1)给出，电路其他参数由公式(1.2)计算得到，根据以上各式可以设计出完整的多谐振变频电路。设计完成的电路拓扑所对应的变频点耦合系数k₁、k₂由式(1.3)、(1.4)给出，由于该电路具有三个谐振频率，在合理的参数设计下可以进行三段变频控制。此处仅给出基于双边LCC结构的一种设计方法，实际设计可以使用其他多谐振电路如LCL、复合串并联等；

可变频电源2用来提供频率可变的电能信号，以适应不同耦合系数所对应的最佳谐振频率，从而达到稳定传输功率的目的；

状态检测与频率控制器3通过对***状态的检测来判断所处的耦合系数区间，并根据该耦合系数所处的最佳频率区间，进而改变可变频电源2的工作频率，实现在大范围位移内稳定输出功率的目的。

图2所示多谐振补偿网络具有三个谐振频率，其不同频率下的电能传输特性如图3所示，此时仅改变了电源频率。实际应用当中可以根据图2所示***框图结合图4、图5所示控制策略将曲线相交处的耦合系数值作为变频点操作，实际设计时互感值、耦合系数、距离这三个参数可以根据公式进行相互转化。

实施例3

实施例3是对实施例1所述适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输***电路的进一步限定，所述电能传输***电路中的变频控制策略4可以采用以下几种方法来完成。第一种策略可以通过信号源产生扫频信号。第一种策略是在参数未知的条件下采用的扫频判断，根据图4所示，对于多谐振***，在放置好充电设备后，通过检测不同谐振频率下的输出功率来确定该状态下的最大输出功率所对应的频率，此时可以采用这一频率进行无线电能传输。第二种策略根据图5所示是是标定了耦合系数范围的前提下测量判断，针对已经设计好的耦合机构，可以事先测量其耦合系数与距离的关系，通过检测充电时耦合机构间的距离来转化为耦合系数值，最后判断该耦合系数所对应的最佳传输频率，采用这一频率传输电能。

具体的：

变频控制策略4的第一种控制策略的具体步骤为：

第一步：将可变频电源2的工作频率调制到使用频率三，并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率三时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；

第二步：如果第一步所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源2的工作频率调制到使用频率二；并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率二时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；

第三步：如果第二步所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源2的工作频率调制到使用频率一；并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率一时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；如果所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则启动报警装置进行报警。

其中，所述使用频率三的频率值范围为：85kHz±5kHz；所述使用频率二的频率值范围为：10kHz-85kHz；所述使用频率一的频率值范围为：85kHz-200kHz。

根据图3可以看出三条传输特性曲线具有两个交点，这两个交点将耦合系数分为三个部分，分别利用每个部分所对应的功率最高的频率传输电能可以较好地避免功率随耦合系数下降这一问题。根据图3可知本发明相对于单谐振频率无线电能传输***可以达到数倍的耦合系数波动范围。

变频控制策略4的第二种控制策略的具体步骤为：

步骤一：启动数据测量模块检测耦合机构之间(即耦合机构的初级绕组跟次级绕组之间) 的距离；

步骤二：将步骤一检测到的耦合机构之间的距离转化为耦合系数；

步骤三：通过步骤二获得的耦合系数判断耦合机构所应选用的最佳输出频率进行能量传输；当根据上述计算公式(1.3)和(1.4)计算出的k₁，k₂值作为变频区间判断点，此时可以将耦合系数分为三段大于k₂或小于k₁或大于k₁并小于k₂，每一个区间内对应着一个最佳输出频率，通过步骤二获得的耦合系数可以根据图三来选取对应耦合系数区间下的最佳输出频率。

步骤四：如果耦合机构在充电中发生位移则重复步骤一。具体的，在设计完成之后，相应功率交点(变频点)耦合系数k₁，k₂已经确定下来，三段区间对应三个频率，实际使用时在确定对应耦合系数区间后，频率可以确定。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路，其特征在于，电能传输***电路包括两个多谐振结构(1)、可变频电源(2)、状态检测和频率控制器(3)、变频控制策略模块(4)、耦合机构(5)和报警装置；一个所述多谐振结构(1)设置于耦合机构(5)的初级绕组端，并且，该多谐振结构(1)的两电源端与所述可变频电源(2)的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构(1)设置于耦合机构(5)的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器(3)的频率控制信号输出端与所述可变频电源(2)的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的耦合状态检测端与所述耦合机构(5)的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块(4)的变频控制策略信号输出端相连；其中，所述变频控制策略模块(4)采用的变频控制策略为：

第一步：将可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率三，并判断可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率三时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；

第二步：如果第一步所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率二；并判断可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率二时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；

第三步：如果第二步所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率一；并判断可变频电源(2)的工作频率调制到使用频率一时，所述电能传输***电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输***电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；如果所述电能传输***电路的输出功率没有达到额定输出功率，则启动报警装置进行报警。

2.根据权利要求1所述的宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路，其特征在于，所述多谐振结构(1)采用双边LCC补偿网络结构、LCL补偿网络结构或复合串并联补偿网络结构。

3.根据权利要求2所述的宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路，其特征在于，基于双边LCC补偿网络结构的电能传输***电路包括可变频电源U_P、两个谐振电感元件L₁₁和L₁₂、两个谐振电容元件C₁₁和C₁₂、两个谐振电容元件C₂₁和C₂₂、耦合机构初级绕组L₂₁、耦合机构次级绕组L₂₂、电阻r₂和负载R_L、状态检测和频率控制器(3)和变频控制策略模块(4)；所述耦合机构初级绕组L₂₁的两端分别串联一个谐振电容元件C₂₁和电阻r₂，并且，所述耦合机构初级绕组L₂₁、一个谐振电容元件C₂₁和电阻r₂构成的串联结构与一个所述谐振电容元件C₁₁构成一个并联谐振腔，所述并联谐振腔与一个谐振电感元件L₁₁串联，并且所述一个谐振电感元件L₁₁与所述可变频电源U_P串联；所述一个L₂₁C₁₁C₂₁并联谐振腔与串联的一个谐振电感元件L₁₁、可变频电源U_P形成闭合回路；

所述耦合机构次级绕组L₂₂的一端串联另一谐振电容元件C₂₂，所述耦合机构次级绕组L₂₂与另一谐振电容元件C₂₂构成的串联结构与另一所述谐振电容元件C₁₂并联构成次级并联谐振腔；所述次级并联谐振腔与另一谐振电感元件L₁₂串联，并且所述另一谐振电感元件L₁₂与所述负载R_L串联；所述状态检测和频率控制器(3)的频率控制信号输出端与所述可变频电源U_P的频率控制信号输入端相连；

所述状态检测和频率控制器(3)的耦合状态检测端与所述耦合机构初级绕组L₂₁和耦合机构次级绕组L₂₂的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块(4)的变频控制策略信号输出端相连。

4.根据权利要求3所述的宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路，其特征在于，所述双边LCC补偿网络结构的谐振频率分别为：

其中，λ表示为电容比，

所述双边LCC补偿网络结构的谐振电感元件L₁₁和谐振电感元件L₂₁的参数计算公式为：

所述双边LCC补偿网络结构的变频点耦合系数为：

其中，r_p表示可变频电源内阻；r₂表示线圈内阻；R_L表示简化后的负载。

5.根据权利要求1所述的宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路，其特征在于，所述使用频率三的频率值范围为：85kHz±5kHz；所述使用频率二的频率值范围为：10kHz-85kHz；所述使用频率一的频率值范围为：85kHz-200kHz。

6.根据权利要求1所述的宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输***电路，其特征在于，所述变频控制策略模块(4)采用的变频控制策略为：

步骤一：启动数据测量模块检测耦合机构之间的距离；

步骤二：将步骤一检测到的耦合机构之间的距离转化为耦合系数；

步骤三：通过步骤二获得的耦合系数判断耦合机构所应选用的最佳输出频率进行能量传输；

步骤四：如果耦合机构在充电中发生位移则重复步骤一。

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