CN108011454A - 基于多发射谐振式无线输电***的切换装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于多发射谐振式无线输电***的切换装置及控制方法，所述切换装置包括多发射线圈及切换开关，补偿电容，控制电路；其中，控制电路中电流传感器与调理电路相连，调理电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路与FPGA控制器相连，FPGA控制器与电平转换电路和驱动电路相连，驱动电路与全桥逆变器的开关器件相连，电平转换电路与继电器阵列相连。所述控制方法，包括了切换准则和控制算法，控制算法中通过检测不同工作模态下的发射端电流，并依据切换准则精确地输出使得***处于最优工作模态的开关组控制信号，实现了供电区域自适应切换，解决因线圈间横向偏移造成的效率降低问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线输电领域，具体涉及一种基于多发射谐振式无线输电***的切换装置及控制方法。
背景技术
在多发射谐振式无线输电***中，当接收线圈与发射线圈存在横向偏移时，可通过多发射线圈的自适应切换来提高***的抗偏移性；然而，现有的切换控制方法仅根据耦合系数与传输效率的关系推导了发射线圈间的切换准则，然而工程实际中耦合系数的在线获取难以实现；因此，针对多发射谐振式无线输电***的切换准则以及控制方法还需进一步研究与完善。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于多发射谐振式无线输电***的切换装置及控制方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，所述切换装置包括多发射线圈及切换开关，补偿电容，控制电路；其中，控制电路中电流传感器与调理电路相连，调理电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路与FPGA控制器相连，FPGA控制器与电平转换电路和驱动电路相连，驱动电路与全桥逆变器的开关器件相连，电平转换电路与继电器阵列相连。
上述基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，所述多发射线圈及切换开关由七个继电器开关构成，其中，开关S1、开关S2、开关S3作为主开关，实现了LA、LB、LC、LD四个线圈组之间的接通与关断，开关S4、开关S5、开关S6、开关S7作为辅助开关，实现了不同供电区域所需线圈组的接入，对七个继电器开关的组合使用，可实现单区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)与双区域(Ⅰ+Ⅱ、Ⅱ+Ⅲ)之间五种供电区域的切换。
上述基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，所述发射端补偿电容，采用一个继电器开关的两电容并联形式，以使得***切换前后的电路均能实现合理的电容补偿，且能保证电路进行切换时始终有电容工作，电容表达式为：
其中C1为双区域供电区域的补偿电容容量，C1与C2之和为单区域供电区域的补偿电容容量，L为一个多匝六边形线圈自感，ω为***工作角频率。
上述基于多发射谐振式无线输电***的控制方法，所述控制方法包括了切换准则和控制算法，切换准则应用于线圈偏移下最优工作模态的选取，具体表现为，当双区域工作模态的原边电流Ip2小于单区域工作模态的原边电流Ip1的0.7倍时，此时双区域工作的传输效率将大于单区域工作的传输效率，应切换至双区域工作模态，若出现Ip2大于或等于0.7倍Ip1，则切换至单区域工作模态。
上述基于多发射谐振式无线输电***的控制方法，所述控制方法中的切换准则，根据如下步骤推导线圈偏移下最优工作模态的判断条件：
步骤一，根据KVL公式构建单区域和双区域的原边电流与副边电流表达式：
步骤二，构建效率与原边电流表达式，并当双区域工作时的效率大于单区域工作时的效率，则有：
步骤三，将原边电流公式及公式代入不等式中，求出双区域效率高于单区域效率的表达式：
其中，η1，Ip1分别为单区域效率及原边电流，Is1、Rp1、RL分别为单区域副边电流、线圈内阻及负载阻值，Lp2为单区域线圈自感，RRX为副边总电阻，Rp1＝7R，Lp1＝7L，η2，Ip2分别为双区域效率及原边电流，Is2、Rp2分别为双区域边电流及线圈内阻，Lp2为双区域线圈自感，Rp2＝10R，Lp2＝10L。
上述基于多发射谐振式无线输电***的控制方法，所述控制方法中的控制算法，分为单区域检测和双区域检测，包括以下步骤：
步骤一，***分别切换到工作模态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，比较此时单区域的三种工作模态的原边电流，得出最小原边电流的工作模态，去掉原边电流最大的一个工作模态，剩余两个单区域工作模态即构成所要切换的双区域工作模态；
步骤二，检测所构成双区域的原边电流与单区域中工作模态的最小原边电流，并根据切换准则，判断线圈偏移下最优工作模态，输出使得***处于最优工作模态的开关组控制信号。
本发明创造性的设计了一种基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，使其***能够进行工作模态的切换，并理论推导出了一种多发射谐振式无线输电***处于横向偏移下的切换准则以及控制算法，该控制算法能够有效减少切换过程中开关次数，并依据切换准则精确地输出使得***处于最优工作模态的开关组控制信号。
附图说明
图1为本发明的***装置电路图；
图2为本发明的线圈结构示意图；
图3为本发明的多发射线圈的工作模态示意图；
图4为本发明的***装置等效电路示意图；
图5为本发明的控制算法流程示意图；
图6为本发明运行结果示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，为一种多发射谐振式无线输电***装置电路图，包括直流电压源、滤波电容、逆变器、发射端补偿电容、发射线圈与接收线圈、发射线圈切换开关、接收端补偿电容、整流器、负载、控制电路；其中切换装置包括多发射线圈及切换开关，补偿电容，控制电路，所述控制电路中电流传感器与调理电路相连，调理电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路与FPGA控制器相连，FPGA控制器与电平转换电路和驱动电路相连，驱动电路与全桥逆变器的开关器件相连，电平转换电路与继电器阵列相连。
逆变器为开关器件两端带有反向续流二极管的全桥逆变器。
线圈由发射线圈Lp和接收线圈Ls组成，发射端由发射线圈Lp和发射端一开关两电容并联形式的补偿电容C1、C2构成，接收端由接收线圈Ls和接收端补偿电容Cs串联构成。
整流器为二极管桥式整流。
如图2所示，多发射谐振式无线输电***的发射端线圈划分为五种供电模式，供电区域Ⅰ、供电区域Ⅱ和供电区域Ⅲ为单区域供电模式，每种供电区域由7个六边形螺旋线圈组成；供电区域Ⅰ+Ⅱ、供电区域Ⅱ+Ⅲ为双区域供电模式，每种供电区域由10个六边形螺旋线圈组成，每个六边形的大小相等，且各六边形线圈之间依次为串联连接，表1中示出具体组成及与五个供电区域的从属关系。
表1
| 供电区域 | 组成 | 线圈分组 | 组成 |
| Ⅰ | LA LB LE | LA | L1 L2 L3 |
| Ⅱ | LB LC LE | LB | L4 L5 L6 |
| Ⅲ | LC LD LE | LC | L7 L9 L11 |
| Ⅰ+Ⅱ | LA LB LC LE | LD | L10 L12 L13 |
| Ⅱ+Ⅲ | LB LC LD LE | LE | L8 |
切换装置中的多发射线圈及切换开关由七个继电器开关构成，其中，开关S1、开关S2、开关S3作为主开关，实现了LA、LB、LC、LD四个线圈组之间的接通与关断，开关S4、开关S5、开关S6、开关S7作为辅助开关，实现了不同供电区域所需线圈组的接入，对七个继电器开关的组合使用，可以实现单区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)与双区域(Ⅰ+Ⅱ、Ⅱ+Ⅲ)之间五种供电区域的切换。
切换装置中的发射端补偿电容，采用一个继电器开关的两电容并联形式，以使得***切换前后的电路均能实现合理的电容补偿，且能保证电路进行切换时始终有电容工作，电容表达式为：
其中C1为双区域供电区域的补偿电容容量，C1与C2之和为单区域供电区域的补偿电容容量，L为一个多匝六边形线圈自感，ω为***工作角频率。
如图3所描述的那样，为发射线圈五种工作模态。其中，单区域的三个工作模态：(1)闭合开关S1、S6和S8，即工作模态Ⅰ工作；(2)闭合开关S2、S4、S7和S8，即工作模态Ⅱ工作；(3)闭合开关S3、S5和S8；双区域的两个工作模态：(1)闭合开关S1、S2和S7，即工作模态Ⅰ+Ⅱ工作；(2)闭合开关S2、S3和S4，即工作模态Ⅱ+Ⅲ工作；表2中示出发射线圈工作模态与开关组组成。
表2
如图4所示，为多发射谐振式无线输电***等效电路，其中，i＝1，表示单区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)工作模态；i＝2，表示双区域(Ⅰ+Ⅱ、Ⅱ+Ⅲ)工作模态，DT-R为接收线圈与发射线圈垂直距离，由于***结构特点，接收端仅存在横向偏移量的变化，故Ls、Rs与RL、DT-R在单区域与双区域工作时都相同。
根据KVL公式构建单区域和双区域的原边电流与副边电流表达式：
构建效率与原边电流表达式，并当双区域工作时的效率大于单区域工作时的效率，则有：
将原边电流公式及公式代入不等式中，求出双区域效率高于单区域效率的表达式：
其中，η1，Ip1分别为单区域效率及原边电流，Is1、Rp1、RL分别为单区域副边电流、线圈内阻及负载阻值，Lp2为单区域线圈自感，RRX为副边总电阻，Rp1＝7R，Lp1＝7L，η2，Ip2分别为双区域效率及原边电流，Is2、Rp2分别为双区域边电流及线圈内阻，Lp2为双区域线圈自感，Rp2＝10R，Lp2＝10L。
由此，可推导出相应的切换准则，具体表现为，当双区域工作模态的原边电流Ip2小于单区域工作模态的原边电流Ip1的0.7倍时，此时双区域工作的传输效率将大于单区域工作的传输效率，应切换至双区域工作模态，若出现Ip2大于或等于0.7倍Ip1，则切换至单区域工作模态。
如图5所示，为多发射谐振式无线输电***的控制算法流程示意图，包括以下步骤：
步骤一，将多发射线圈分别切换到三种单区域工作模态，并通过电流传感器检测原边电流大小；
步骤二，去掉原边电流最大的一个工作模态，剩余两个单区域工作模态即构成所要切换的双区域工作模态；
步骤三，将多发射线圈切换到所需的双区域工作模态，并检测原边电流大小；
步骤四，将双区域工作模态的原边电流与单区域工作模态的最小原边电流根据切换准则进行判断；
步骤五，输出使得***处于最优工作模态的继电器开关组控制信号。
本发明提出的基于多发射谐振式无线输电***的切换装置及控制方法，在实验样机上通过验证，实验参数：直流电源为25V，***工作频率为85kHz，传输距离为10cm，负载为23Ω，副边补偿电容为8nf，副边自感为447uH，副边线圈内阻为1.3Ω，原边单区域与双区域自感分别为447uH、624uH，原边单区域与双区域补偿电容分别为8nf、5.7nf，原边单区域与双区域线圈内阻分别为1.3Ω、1.8Ω。
图6所示，为发射线圈与接收线圈之间存在7.2cm的偏移距离时，图(a)、(b)、(c)为***分别在工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅰ+Ⅱ下的逆变器输出电压uc与输出电流ip的波形，可以看出，此时工作模态Ⅰ的原边电流约为1.53A，工作模态Ⅱ的原边电流约为1.73A，且工作模态Ⅰ的效率为76.38％，工作模态Ⅱ的效率75.06％；若切换到工作模态Ⅰ+Ⅱ工作，此时原边电流约为0.966A，Ip2/Ip1约为0.631，且工作模态Ⅰ+Ⅱ的效率为77.28％，故7.2cm的偏移距离时，切换到工作模态Ⅰ+Ⅱ。即引入本发明的切换控制策略，并进行相应的切换，***在线圈偏移下的传输效率将得以提高。
Claims (6)
1.一种基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，其特征在于，所述切换装置包括多发射线圈及切换开关，补偿电容，控制电路，控制电路中电流传感器与调理电路相连，调理电路与A/D转换电路相连，A/D转换电路与FPGA控制器相连，FPGA控制器与电平转换电路和驱动电路相连，驱动电路与全桥逆变器的开关器件相连，电平转换电路与继电器阵列相连。
2.一种如权利要求1所述的基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，其特征在于，所述多发射线圈及切换开关由七个继电器开关构成，其中，开关S1、开关S2、开关S3作为主开关，实现了LA、LB、LC、LD四个线圈组之间的接通与关断，开关S4、开关S5、开关S6、开关S7作为辅助开关，实现了不同供电区域所需线圈组的接入，对七个继电器开关的组合使用，可以实现单区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)与双区域(Ⅰ+Ⅱ、Ⅱ+Ⅲ)之间五种供电区域的切换。
3.一种如权利要求1所述的基于多发射谐振式无线输电***的切换装置，其特征在于，所述发射端补偿电容，采用一个继电器开关的两电容并联形式，以使得***切换前后的电路均能实现合理的电容补偿，且能保证电路进行切换时始终有电容工作，电容表达式为：
其中C1为双区域供电区域的补偿电容容量，C1与C2之和为单区域供电区域的补偿电容容量，L为一个多匝六边形线圈自感，ω为***工作角频率。
4.一种基于多发射谐振式无线输电***的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括了切换准则和控制算法，切换准则应用于线圈偏移下最优工作模态的选取，具体表现为，当双区域工作模态的原边电流Ip2小于单区域工作模态的原边电流Ip1的0.7倍时，此时双区域工作的传输效率将大于单区域工作的传输效率，应切换至双区域工作模态，若出现Ip2大于或等于0.7倍Ip1，则切换至单区域工作模态。
5.一种如权利要求4所述的基于多发射谐振式无线输电***的控制方法，其特征在于，所述控制方法中的切换准则，根据如下步骤推导线圈偏移下最优工作模态的判断条件：
步骤一，根据KVL公式构建单区域和双区域的原边电流与副边电流表达式：
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步骤二，构建效率与原边电流表达式，并当双区域工作时的效率大于单区域工作时的效率，则有：
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其中η1，Ip1分别为单区域效率及原边电流，Is1、Rp1、RL分别为单区域副边电流、线圈内阻及负载阻值，Lp2为单区域线圈自感，RRX为副边总电阻，Rp1＝7R，Lp1＝7L，η2，Ip2分别为双区域效率及原边电流，Is2、Rp2分别为双区域边电流及线圈内阻，Lp2为双区域线圈自感，Rp2＝10R，Lp2＝10L。
6.一种如权利要求4所述的基于多发射谐振式无线输电***的控制方法，其特征在于，所述控制算法分为单区域检测和双区域检测，包括以下步骤：
步骤一，***分别切换到工作模态Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，比较此时单区域的三种工作模态的原边电流，得出最小原边电流的工作模态，去掉原边电流最大的一个工作模态，剩余两个单区域工作模态即构成所要切换的双区域工作模态；
步骤二，检测所构成双区域的原边电流与单区域中工作模态的最小原边电流，并根据切换准则，判断线圈偏移下最优工作模态，输出使得***处于最优工作模态的开关组控制信号。
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