CN107919739A - 无线电能传输***的传输功率选频方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线电能传输***的传输功率选频方法，所述无线电能传输***包括频率可调功率源、发射线圈电路、接收线圈电路、负载、耦合系数检测装置和频率调节控制器；所述传输功率选频方法是确定实际负载，***通过耦合系数检测装置得到发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k并反馈给频率调节控制器；频率调节控制器根据耦合系数k与实际负载条件下k1和k2的大小关系确定功率源的工作频率，实现无线电能传输***的传输功率最大。

Description

无线电能传输***的传输功率选频方法
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输***的传输功率选频方法，尤其是一种磁耦合谐振式无线电能传输***的最大传输功率选频方法。
背景技术
无线电能传输技术是指借助电磁场、微波等物理空间的传能介质实现供电电源到用电负载的无直接电气接触的能量传输方式，与传统的有线供电方式比，无线电能传输技术具有安全、可靠、便捷等优势。
磁耦合谐振式无线电能传输***依靠两个自谐振频率相同的传输线圈进行能量的高效传输，它是一种多参数相互交叉耦合的非线性***，工作频率的变化对***的传输功率影响较大，为实现最大功率输出，应使***功率源工作在谐振频率以保证***的谐振状态。谐振状态下，磁耦合谐振式无线电能传输***的传输功率受负载和耦合系数的变化影响较大，且当耦合系数过大时***还会出现频率***现象。
针对非谐振状态和频率***现象，目前多采用阻抗匹配和频率跟踪等控制方法，文献《磁耦合谐振式无线电能传输***最大功率效率点分析与实验验证》已分析验证了特定负载时的传输功率与耦合系数和工作频率的关系。但对于不同大小的负载，目前还未有文献分析传输功率最大时的工作频率与耦合系数k的关系，尤其是当实际负载小于临界负载时。因此，本发明无线电能传输***的传输功率选频方法可根据工作频率与耦合系数的关系实现***全负载范围内达到最大功率输出。
发明内容
本发明的目的在于针对不同大小的***负载，当耦合系数检测装置检测到发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k发生变化时，如何通过频率调节控制器调节***功率源的工作频率使得传输功率达到最大，并提供一种磁耦合谐振式无线电能传输***的传输功率选频方法。
本发明是通过如下的技术方案来实现的。
一种无线电能传输***的传输功率选频方法，所述无线电能传输***包含频率可调功率源、发射线圈电路、接收线圈电路、负载、耦合系数检测装置和频率调节控制器。其特征在于根据功率源的内阻参数、发射线圈电路参数、接收线圈电路参数可确定无线电能传输***的临界负载值；实际负载值与临界负载值的大小关系决定了***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k1和***发生频率***时的耦合系数k2的大小关系；当实际负载确定后，***通过耦合系数检测装置得到发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k并反馈给频率调节控制器；频率调节控制器根据耦合系数k与实际负载条件下k1和k2的大小关系确定功率源的工作选频，实现无线电能传输***的传输功率最大。
进一步地，无线电能传输***采用磁耦合谐振的方式实现。
进一步地，发射线圈电路和接收线圈电路是由利兹线绕制的螺线管和CBB81电容组成的串联谐振电路。
进一步地，接收线圈电路通过测距传感器得到发射线圈与接收线圈之间的传输距离并发送给耦合系数检测装置，耦合系数检测装置将接收到的传输距离转换成相应的耦合系数k反馈给频率调节控制器。
进一步地，频率调节控制器根据***负载大小分为工作方式1和工作方式2，确定工作方式后，频率调节控制器根据工作频率和耦合系数的关系通过DSP编程实现对功率源的频率调节。
本发明实现了无线电能传输***的工作频率控制，解决了***全负载范围内最大传输功率的选频问题，保证了无线电能传输***在传输距离发生变化时的最大功率输出。
附图说明
图1是本发明的***结构示意图。
图2是本发明磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路模型。
图3是本发明磁耦合谐振式无线电能传输***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k 1和***发生频率***时的耦合系数k 2与负载R L的变化规律。
图4是本发明RL＝5Ω时，***谐振频率点和自谐振频率下输出功率随耦合系数k的变化关系。
图5是本发明RL＝5Ω时，***在不同谐振频率下输出功率随耦合系数k的变化关系。
图6是本发明RL＝9.3275Ω时，***谐振频率点和自谐振频率下输出功率随耦合系数k的变化关系。
图7是本发明RL＝9.3275Ω时，***在不同谐振频率下输出功率随耦合系数k的变化关系。
图8是本发明RL＝15Ω时，***谐振频率点和自谐振频率下输出功率随耦合系数k的变化关系。
图9是本发明RL＝15Ω时，***在不同谐振频率下输出功率随耦合系数k的变化关系。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施进行进一步的说明。
如附图1所示，实施本发明技术方案的***结构示意图。包含频率可调功率源10、发射线圈电路20、接收线圈电路30、负载40、耦合系数检测装置50、频率调节控制器60。附图2为磁耦合谐振式无线电能传输***的等效电路模型。图中U S、R S为频率可调功率源的输出电压和内阻；L 1、C 1、R 1为发射线圈电路的线圈电感、补偿电容、线圈等效电阻；L 2、C 2、R 2为接收线圈电路的线圈电感、补偿电容、线圈等效电阻；R L为负载；M为发射线圈和接收线圈之间的互感大小且，其中k为与传输线圈间传输距离相应的耦合系数；Z in为频率可调功率源的输入阻抗。以下以此等效电路模型为例，对本发明的最大传输功率选频方法进行说明。
附图2等效电路模型中的各部分参数分别为，功率源输出电压：US=50V；功率源内阻：RS=10Ω；线圈电感L1=L2=L=83.3uH；补偿电容C1=C2= C=10.1nF；线圈等效电阻R1=R2=R=0.35Ω。
磁耦合谐振式无线电能传输***的输入阻抗，其中：
(1)
当发射线圈电路参数、接收线圈电路参数一致时，功率源输入阻抗的实部和虚部分别为：
(2)
磁耦合谐振式无线电能传输***在不同耦合系数条件下满足传输功率最大的条件是工作在谐振状态，即I m(Z in)=0。
由I m(Z in)=0可得出满足***工作在谐振状态下的三个角频率为：
(3)
对应地，由 可得***具有三个谐振频率点f 1 、f 2 、f 3。其中f 1仅与传输线圈参数有关，称为***的自谐振频率点。f 2 、f 3为***频率点，可知，谐振频率f 2 、f 3是关于耦合系数k的函数即。
当***工作在自谐振频率点时，由最大功率传输定理的条件Re(Z in)=R S可得***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k 1，
即：
(5)
由ω 2=ω 3推导得出***发生频率***时的耦合系数k 2，
(6)
由附图3可看出***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k 1和***发生频率***时的耦合系数k 2随负载变化时具有三种不同的大小关系。
由k 1＝k 2可得出临界负载值R L0＝B－R，其中：
(7)
根据以上***参数求得的临界负载值R L0＝9.3275Ω。
由附图3可看出：当R L＜R L0时，***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k 1和***发生频率***时的耦合系数k 2的关系为k 1＞k 2。***自谐振频率下的传输功率和***谐振频率点关于耦合系数的变化关系如附图4所示。由附图5可看出，当耦合系数k 2≤k＜k 3时，尽管出现了频率***现象，但***仍在自谐振频率点f 1上具有最大的传输功率。其中，耦合系数k 3处的***频率f 2 、f 3与自谐振频率f 1同时使得***的传输功率最大，且。因此，当k≤k 3时，***工作在自谐振频率f 1时具有最大的传输功率；当k>k 3 时，***才会在***频率点f 2 、f 3上具有最大的传输功率。且由可知，随着耦合系数k的变化，***频率点f 2 、f 3会不断的变化，此时***的最大传输功率会保持不变。
由附图3可看出当R L＝R L0时，***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k 1和***发生频率***时的耦合系数k 2的关系为k 1＝k 2。***自谐振频率下的传输功率和***谐振频率点关于耦合系数的变化关系如附图6所示。由附图7可看出当耦合系数k≤k 1＝k 2时，***工作在自谐振频率f 1时具有最大的传输功率；当k＞k 1＝k 2时，***在***频率点f 2 、f 3上具有最大的传输功率。且由可知，随着耦合系数k的变化，***频率点f 2 、 f 3会不断的变化，此时***的最大传输功率会保持不变。
由附图3可看出当R L＞R L0时，***自谐振频率下传输功率最大时的耦合系数k 1和***发生频率***时的耦合系数k 2的关系为k 1＜k 2。***自谐振频率下的传输功率和***谐振频率点关于耦合系数的变化关系如附图8所示。由附图9可看出，当耦合系数k≤k 2时，***工作在自谐振频率点f 1时具有最大的传输功率；当k＞k 2时，***在***频率点f 2 、f 3上具有最大的传输功率。且由可知，随着耦合系数k的变化，***频率点f 2 、f 3会不断的变化，此时***的最大传输功率会保持不变。
从上述结论可知：输出功率最大时，***工作频率和耦合系数k的关系可根据负载大小分为两种情况即R L＜R L0、R L≥R L0。因此，将频率调节控制器根据传输线圈间耦合系数k的变化调节功率源工作频率的方式分别称为工作方式1、工作方式2。
具体实施中，根据***的临界负载值和实际负载的大小关系首先确定频率调节控制器的工作方式；然后，由耦合系数检测装置将耦合系数k反馈给频率调节控制器；最后，频率调节控制器根据耦合系数k和工作频率的关系对功率源进行频率调节，从而保证输出功率达到最大。
由以上的分析和仿真结果可以看出，本发明可实现无线电能传输***在全负载范围内达到最大功率输出，适用于分析传输距离不断发生变化的无线电能传输***。

Claims (5)

1.一种无线电能传输***的传输功率选频方法，其特征在于：所述无线电能传输***包括频率可调功率源、发射线圈电路、接收线圈电路、负载、耦合系数检测装置和频率调节控制器；所述传输功率选频方法是根据功率源的内阻参数、发射线圈电路参数、接收线圈电路参数确定无线电能传输***的临界负载值，具体传输功率选频方法如下：
首先是确定实际负载：***通过耦合系数检测装置得到发射线圈与接收线圈之间的耦合系数k并反馈给频率调节控制器；频率调节控制器根据耦合系数k与实际负载条件下k1和k2的大小关系确定功率源的工作频率，实现无线电能传输***的传输功率最大。
2.如权利要求1所述的无线电能传输***的传输功率选频方法，其特征在于：所述无线电能传输***是磁耦合谐振方式实现。
3.如权利要求1所述的无线电能传输***的传输功率选频方法，其特征在于：所述发射线圈电路和接收线圈电路是由利兹线绕制的螺线管和CBB81电容组成的串联谐振电路。
4.如权利要求1所述的无线电能传输***的传输功率选频方法，其特征在于：所述接收线圈的电路是通过测距传感器得到发射线圈与接收线圈之间的传输距离并发送给耦合系数检测装置，耦合系数检测装置将接收到的传输距离转换成相应的耦合系数k反馈给频率调节控制器。
5.如权利要求1所述的无线电能传输***的传输功率选频方法，其特征在于：所述频率调节控制器根据***负载大小分为工作方式1和工作方式2，确定工作方式后，频率调节控制器根据工作频率和耦合系数的关系通过DSP编程实现对功率源的频率调节。
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