CN109742955B - 一种感应电能传输***功率提升方法 - Google Patents

Abstract

一种感应电能传输***功率提升方法，所述的感应电能传输***包括原边高频逆变装置、原边发射线圈、副边接收线圈和副边整流装置，其特征在于，原边发射线圈的谐振频率与副边接收线圈的谐振频率不一致时，将变流器的开关频率设置在原边线圈、副边线圈各自谐振频率之间的一个特定的频率点，然后对副边变流器进行负载阻抗变换，提升感应电能传输***原边和副边之间的传输功率。

Description

一种感应电能传输***功率提升方法

技术领域

本发明涉及一种感应电能传输***功率提升方法。

背景技术

感应电能传输技术(inductive power transfer，IPT)逐渐进入工业和生活领域，应用于电动汽车充电和轨道交通车辆供电是今后的发展趋势。现有轨道交通车辆多采用受电弓或者第三轨方式供电。由于轨道交通车辆运行时，受电弓或者第三轨摩擦容易产生碳积，导致接触不良，车辆脱网断电，降低了供电***的可靠性，也影响车辆供电***设备使用寿命，而且受电弓或者第三轨需要高额的维护成本。应用电磁感应原理的感应电能传输实现了电能无接触传递，解决了接触供电产生火花、摩擦、碳积等问题，避免了潮湿、水下等环境用电设备存在电击的潜在危险，具有安全，可靠，方便，无污染等优点，能够取代既有电气化交通设备受电弓加接触网或者第三轨供电模式，可极大地提高供电安全性和可靠性。

对于大功率IPT***而言，***传输的功率和效率是两个十分重要的指标。

在感应电能传输***中，副边整流桥可以等效成为一个纯阻性负载R_Leq。对于串串补偿的感应电能传输***，根据电路原理可知，当无接触变压器原、副边线圈回路电抗为零，即当X_p＝0，X_s＝0时，其中X_p为无接触变压器原边线圈回路的电抗，X_s为无接触变压器副边线圈回路的电抗，负载才能获得最大功率。通常采用电容对原、副边线圈的电感进行补偿，使原、副边线圈与各自补偿电容的谐振频率等于变流器的开关频率，以消除无接触变压器原、副边线圈的电抗、提高无接触变压器的传输功率。

无接触变压器的效率与副边整流桥的等效负载R_Leq有关，仅当副边整流桥的等效负载R_Leq等于无接触变压器的最优负载R_{Leq_opt}时，无接触变压器的效率最高。而IPT***的工作状态从轻载到满载时，副边整流桥的等效负载R_Leq是变化的，无法使无接触变压器在整个负载范围内都工作在最高效率状态。为了使无接触变压器在整个负载范围内都工作在最高效率状态，现有文献采用阻抗变换的方法使副边整流桥的等效负载R_Leq在整个负载范围内始终等于无接触变压器的最优负载R_{Leq_opt}。

W.X.Zhong，S.Y.R.Hui在文献“Maximum Energy Efficiency Tracking forWireless Power Transfer Systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(7):4025-4034.”中描述了一种采用DC/DC变换器的效率优化控制方法。副边整流器的输出端连接到DC/DC变换器的输入端，DC/DC变换器的输出端连接到负载。原边变流器用于调节输出电压，DC/DC变换器将副边整流器的等效阻抗变换为无接触变压器的最优阻抗以实现无接触变压器效率最优。

专利201811041880.1公布了一种基于半控整流电路的高效率无线充电装置，通过控制半控整流电路的占空比可以调节半控整流电路输入端口等效电阻，使之等于无接触变压器的最优负载电阻以实现无接触变压器效率最优。

刘方，陈凯楠，蒋烨，赵争鸣在文献“双向无线电能传输***效率优化控制策略研究[J].电工技术学报.(DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180143)”中综合考虑了变换器损耗和无接触变压器损耗，提出原、副边变换器输出电压按最优输出电压比进行控制，原、副边变换器输出电压相位差按原、副边变换器软开关状态进行控制，可使***获得最大的运行效率。

在实际应用中，加工出来的原、副边线圈的电感值与设计值存在一定的偏差，加之补偿电容的容值是离散的，并不连续，导致原、副边线圈与各自补偿电容的谐振频率并不完全一致，而是存在一定的偏差。在这种情况下，理论分析表明，对于纯阻性负载，当原、副边线圈所在回路的电抗为零，且整流桥的交流等效电阻等于无接触变压器的最优交流负载电阻，即X_p＝0，X_Leq＝－X_S，R_Leq＝R_{Leq_opt}时，无接触变压器的效率最高且负载获得的功率最大。

基于此，Ruikun Mai，Yeran Liu，Yong Li，Pengfei Yue，Guangzhong Cao，Zhengyou He在文献“An Active Rectifier Based Maximum Efficiency TrackingMethod Using an Additional Measurement Coil for Wireless Power Transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,33(1):716-728.”中描述了一种采用可控整流桥的效率优化控制方法，原边变流器用于调节输出电压，副边变流器通过调节可控整流桥的移相角和相位角使可控整流桥的等效电抗与副边线圈所在回路的电抗相抵消，即X_Leq+X_S＝0，可控整流桥的等效电阻恒等于无接触变压器的最优交流负载电阻(R_Leq＝R_{Leq_opt})以实现无接触变压器效率最优。

然而该文献未分析***传输的最大功率。对于阻性负载，设置开关频率等于原边线圈的谐振频率：f_sw＝f_pr，原、副边线圈所在回路的电抗为零，且整流桥的交流等效电阻等于无接触变压器的最优交流负载电阻，即X_p＝0，X_Leq＝－X_S，R_Leq＝R_{Leq_opt}时，无接触变压器的效率最高且负载获得的功率最大。对于输入直流电压和输出直流电压固定的场合，要求负载获得的电压是固定的，若设置开关频率等于原边线圈的谐振频率：f_sw＝f_pr，副边变流器输出电压中的一部分电压用于提供副边回路的无功，当副边变流器的输出电压达到最大值时，原边变流器的输出电压未达到最大值，导致***的传输功率下降。

综上所述，对于输入直流电压和输出直流电压固定的场合，当原、副边线圈与各自补偿电容的谐振频率并不完全一致，如何设置开关频率使无接触变压器的效率最高且负载获得的功率最大是***调试中的一个问题，现有文献中未见报道。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的缺点，提供一种感应电能传输***功率提升方法。

本发明在串串补偿感应电能传输***原边线圈和副边线圈谐振频率不一致时，将变流器的开关频率设置在原、副边线圈各自谐振频率之间的一个特定的频率点，然后对副边变流器进行负载阻抗变换，能够在保持无接触变压器最高效率的情况下，提高无接触变压器的传输功率。

所述的串串补偿感应电能传输***包括：直流电源，原边变流器，原边线圈补偿电容器，无接触变压器，副边线圈补偿电容器，副边变流器，滤波电容及负载。

直流电源的输出端与原边变流器的输入端相连接；原边变流器输出端的一端与无接触变压器原边线圈的一端连接，原边变流器输出端的另一端与原边线圈补偿电容器的一端连接；原边线圈补偿电容器的另一端与无接触变压器原边线圈的另一端连接；无接触变压器副边线圈的一端与副边变流器输入端的一端连接，无接触变压器副边线圈的另一端与副边线圈补偿电容器的一端连接，副边线圈补偿电容器的另一端与副边变流器输入端的另一端连接；副边变流器输出端的一端与滤波电容器的一端连接，且与负载的一端连接，副边变流器输出端的另一端与滤波电容的另一端连接，且与负载的另一端连接。

所述直流电源可由工频交流电经过整流获得，或者由蓄电池、超级电容器获得直流电压源。

所述原边变流器由绝缘栅双极晶体管S₁，S₂，S₃，S₄，二极管D₁，D₂，D₃，D₄组成。绝缘栅双极晶体管S₁的发射极与绝缘栅双极晶体管S₂的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₁的集电极与直流电源的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₂的发射极与直流电源的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₁的发射极与绝缘栅双极晶体管S₂的集电极的连接端作为原边变流器的一个输出端；绝缘栅双极晶体管S₃的发射极与绝缘栅双极晶体管S₄的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₃的集电极与直流电源的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₄的发射极与直流电源的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₃的发射极与绝缘栅双极晶体管S₄的集电极的连接端作为原边变流器的另一个输出端。

所述无接触变压器由无接触变压器原边线圈和无接触变压器副边线圈组成。无接触变压器原边线圈沿地面轨道铺设，无接触变压器原边线圈与原边线圈补偿电容器串联连接，组成谐振电路，无接触变压器原边线圈与原边线圈补偿电容器组成的谐振电路的两端与原边变流器的输出端连接。无接触变压器副边线圈位于无接触变压器原边线圈的上方，无接触变压器副边线圈与副边线圈补偿电容器串联连接，组成谐振电路，无接触变压器副边线圈与副边线圈补偿电容器组成的谐振电路的两端与副边变流器的输入端相连接。

所述副边变流器由绝缘栅双极晶体管S₅，S₆，S₇，S₈，二极管D₅，D₆，D₇，D₈组成。绝缘栅双极晶体管S₅的发射极与绝缘栅双极晶体管S₆的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₅的集电极与滤波电容器的正极连接，且与负载的一端连接，绝缘栅双极晶体管S₆的发射极与滤波电容器的负极连接，且与负载的另一端连接，绝缘栅双极晶体管S₅的发射极与绝缘栅双极晶体管S₆的集电极的连接端作为副边变流器的一个输入端；绝缘栅双极晶体管S₇的发射极与绝缘栅双极晶体管S₈的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₇的集电极与滤波电容器的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₈的发射极与滤波电容器的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₇的发射极与绝缘栅双极晶体管S₈的集电极连接端作为副边变流器的另一个输入端。

所述滤波电容器由电容器组成。

所述负载可以是实际电阻负载，也可以经过其他电能变换环节后供给负载，即等效负载。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

1.用LCR测试仪测量串串补偿感应电能传输***原边线圈在设计频率下的电感值L_{p_1}和电阻值R_{p_1}；测量串串补偿感应电能传输***副边线圈在设计频率下的电感值L_{s_1}和电阻值R_{s_1}，测量原边线圈和副边线圈间的互感M_{_1}；测量原边补偿电容值C_{p_1}和副边补偿电容值C_{s_1}；

2.计算开关频率f_psr、副边线圈的电抗X_s、无接触变压器的最优电阻R_{Leq_opt}及最优电压比ξ_{for_opt}

X_s＝2πf_psrL_{s_1}－1/2πf_psrC_{s_1}

其中，ω_{_0}为设计开关角频率，L_{p_1}为原边线圈在设计频率ω_{_0}下的电感值，R_{p_1}为原边线圈在设计频率ω_{_0}下的电阻值，L_{s_1}为副边线圈在设计频率ω_{_0}下的电感值，R_{s_1}为副边线圈在设计频率ω_{_0}下的电阻值，M_{_1}为原边线圈和副边线圈在设计频率ω_{_0}下的互感值，C_{p_1}为原边线圈补偿电容值，C_{s_1}为副边线圈补偿电容值。

3.设置原边变流器的开关频率为f_psr；

4.设置输入电压为U_in，输出电压U_o＝ξ_{for_opt}U_in；

5.设置负载电阻为R_L；

6.原边变流器通过调节其移相角来调节输出电压。

副边控制器检测输出直流电压U_o，副边控制器通过无线通信方式将输出直流电压U_o传递到原边控制器，原边控制器将输出直流电压的参考值与实际值进行比较，原边控制器根据输出直流电压U_o的误差值计算出原边变流器的移相角，原边变流器通过调节其移相角来调节输出电压U_o。上述为无接触供电领域常用的技术手段。

7.设置副边变流器输出电压相对于其输出电流的相位角

其中

为副边变流器输出电压相对于其输出电流的相位角。

8.设置副边变流器输出电压的移相角

其中R_L为负载电阻值。

本发明的工作原理是：

第一，副边变流器用于负载阻抗变换，使副边变流器的等效电抗与副边线圈回路的电抗抵消，副边变流器的等效电阻等于无接触变压器的最优电阻，使无接触变压器运行于最高效率状态；

第二，将变流器的开关频率设置在原边线圈、副边线圈各自谐振频率之间的某个频率点

该频率点由第2步计算得到。减小副边变流器所需提供无功功率，原边变流器提供少量的无功功率，充分利用原边直流电源的容量，使原、副边变流器的输出电压同时达到最大值，从而提升无接触变压器的最大传输功率。

本发明和现有技术的区别在于：

现有技术将变流器的开关频率设置在原边线圈的谐振频率，即

本发明将变流器的开关频率设置在原、副边线圈各自谐振频率之间的某个频率点，即

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过将变流器的开关频率设置在原、副边线圈各自谐振频率之间的某个频率点，副边变流器进行负载阻抗变换，可以使无接触变压器保持最高效率的同时，提升无接触变压器的最大传输功率。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1本发明方法流程图；

图2串串补偿感应电能传输***，图中，1直流电源，2原边变流器，S₁，S₂，S₃，S₄绝缘栅双极晶体管，D₁，D₂，D₃，D₄二极管，3原边线圈补偿电容器，4无接触变压器，41无接触变压器原边线圈，42无接触变压器副边线圈，5副边线圈补偿电容器，6副边变流器，S₅，S₆，S₇，S₈绝缘栅双极晶体管，D₅，D₆，D₇，D₈二极管，7滤波电容器，8负载。

图3未使用本发明方法前的感应电能传输***原边变流器输出电压和电流的波形图；

图4未使用本发明方法前的感应电能传输***副边变流器输出电压和电流的波形图；

图5使用本发明方法的感应电能传输***原边变流器输出电压和电流的波形图；

图6使用本发明方法的感应电能传输***副边变流器输出电压和电流的波形图。

具体实施方式

图2所示为本发明实施例串串补偿感应电能传输***的基本结构组成。如图2所示，本发明实施例串串补偿感应电能传输***包括直流电源1，原边变流器2，原边线圈补偿电容器3，无接触变压器4，副边线圈补偿电容器5，副边变流器6，滤波电容器7，以及负载8。

直流电源1的输出端与原边变流器2的输入端相连接；原边变流器2输出端的一端与无接触变压器原边线圈41的一端连接，原边变流器2输出端的另一端与无接触变压器原边线圈补偿电容器3的一端连接，无接触变压器原边线圈补偿电容器3的另一端与无接触变压器原边线圈41的另一端连接；无接触变压器副边线圈42的一端与副边变流器6输入端的一端连接，无接触变压器副边线圈42的另一端与无接触变压器副边线圈补偿电容器5的一端连接，无接触变压器副边线圈补偿电容器5的另一端与副边变流器6输入端的另一端连接；副边变流器6输出端的一端与滤波电容顺7的一端连接，且与负载8的一端连接，副边变流器6输出端的另一端与滤波电容器7的另一端连接，且与负载8的另一端连接。

所述直流电源1可由工频交流电经过整流获得，或者由蓄电池、超级电容获得直流电压源。

所述原边变流器2由绝缘栅双极晶体管S₁，S₂，S₃，S₄，二极管D₁，D₂，D₃，D₄组成。绝缘栅双极晶体管S₁的发射极与绝缘栅双极晶体管S₂的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₁的集电极与直流电源1的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₂的发射极与直流电源1的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₁的发射极与绝缘栅双极晶体管S₂的集电极的连接端作为原边变流器2的一个输出端；绝缘栅双极晶体管S₃的发射极与绝缘栅双极晶体管S₄的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₃的集电极与直流电源1的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₄的发射极与直流电源1的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₃的发射极与绝缘栅双极晶体管S₄的集电极的连接端作为原边变流器2的另一个输出端。

所述无接触变压器4由无接触变压器原边线圈41和无接触变压器副边线圈42组成。无接触变压器原边线圈41沿地面轨道铺设，无接触变压器原边线圈41与原边线圈补偿电容器3串联相接组成谐振电路，无接触变压器原边线圈41与原边补偿电容器3组成的谐振电路的两端与原边变流器2的输出端连接。无接触变压器副边线圈42位于无接触变压器原边线圈41的上方，无接触变压器副边线圈42与副边线圈补偿电容器5串联组成谐振电路，无接触变压器副边线圈42与副边线圈补偿电容器5组成的谐振电路的两端与副边变流器6的输入端相连接。

所述副边变流器6由绝缘栅双极晶体管S₅，S₆，S₇，S₈，二极管D₅，D₆，D₇，D₈组成。绝缘栅双极晶体管S₅的发射极与绝缘栅双极晶体管S₆的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₅的集电极与滤波电容器7的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₆的发射极与滤波电容器7的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₅的发射极与绝缘栅双极晶体管S₆的集电极的连接端作为副边变流器6的一个输入端；绝缘栅双极晶体管S₇的发射极与绝缘栅双极晶体管S₈的集电极连接，绝缘栅双极晶体管S₇的集电极与滤波电容器7的正极连接，绝缘栅双极晶体管S₈的发射极与滤波电容器7的负极连接，绝缘栅双极晶体管S₇的发射极与绝缘栅双极晶体管S₈的集电极连接端作为副6边变流器的另一个输入端。

所述滤波电容器7由电容器组成。

所述负载8可以是实际电阻负载，也可以经过其他电能变换环节后供给负载，即等效负载。

本发明感应电能传输***功率提升方法的实施步骤如下：

1.用LCR测试仪测量原边线圈在设计频率下的电感值L_{p_1}＝22.08μH和电阻值R_{p_1}＝0.03Ω；测量副边线圈在设计频率下的电感值L_{s_1}＝981.2μH和电阻值R_{s_1}＝0.476Ω，测量原边线圈和副边线圈间的互感M_{_1}＝13.903μH；测量原边补偿电容值C_{p_1}＝1.26μF和副边补偿电容值C_{s_1}＝0.03μF。

2.计算开关频率

计算副边线圈的电抗X_s＝2πf_psrL_{s_1}－1/2πf_psrC_{s_1}＝2.742Ω，

计算无接触变压器的最优电阻

计算最优电压比

其中设计开关角频率ω_{_0}＝1.884×10⁵rad/s。

3.设置原边变流器的开关频率为f_psr＝29.558kHz；

4.设置输入电压为U_in＝80V，给定输出电压U_o＝ξ_{for_opt}U_in＝304.5V；

5.设置负载电阻为R_L＝13.625Ω；

6.原边变流器通过调节其移相角来调节输出电压U_o。例如，副边控制器检测输出电压U_o，通过无线通信方式将输出电压U_o传递到原边控制器，原边控制器通过调节其移相角来调节输出电压，这部分为无线电能传输领域常用的技术手段；

7.设置副边变流器输出电压相对于其输出电流的相位角

8.设置副边变流器输出电压的移相角

图3为未使用本发明方法前感应电能传输***原边变流器输出电压和电流的波形。如图3所示，未使用本发明方法前，原边变流器的移相角为91.7°，原边变流器输出基波电压的有效值为51.7V，原边变流器的输出基波电流为78A。原边变流器的输出电压未达到最大值。

图4未使用本发明方法前的感应电能传输***副边变流器输出电压和电流的波形。如图4所示，未使用本发明方法前，副边变流器输出基波电压的有效值为274V，副边变流器的输出基波电流为18.7A。***的输出功率为3.68kW。

图5为使用本发明方法后感应电能传输***原边变流器输出电压和电流的波形。如图5所示，使用本发明方法后，原边变流器的移相角为180°，原边变流器输出基波电压的有效值为72V，原边变流器的输出基波电流为107.3A。原边变流器的输出电压达到最大值。

图6所示为，使用本发明方法的感应电能传输***副边变流器输出电压和电流的波形。如图6所示，使用本发明方法后，副边变流器输出基波电压的有效值为274V，副边变流器的输出基波电流为25.7A。***的输出功率为6.81kW。

综上所述，本发明方法的感应电能传输***在保持最大传输效率的情况下，***的最大输出功率由3.68kW提升至6.81kW，***的最大输出功率提升了85.1％。

Claims (3)

1.一种感应电能传输***功率提升方法，所述的感应电能传输***包括原边高频逆变装置、原边发射线圈、副边接收线圈和副边整流装置，其特征在于：原边发射线圈的谐振频率与副边接收线圈的谐振频率不一致时，将变流器的开关频率设置在原边线圈、副边线圈各自谐振频率之间的一个特定的频率点，然后对副边变流器进行负载阻抗变换，提升感应电能传输***原边和副边之间的传输功率；

所述的提升感应电能传输***原边发射线圈和副边接收线圈之间功率的方法如下：

(1)用LCR测试仪测量原边线圈在设计频率下的电感值L_{p_1}和电阻值R_{p_1}；测量副边线圈在设计频率下的电感值L_{s_1}和电阻值R_{s_1}，测量原、副边线圈间的互感M_{_1}；测量原边补偿电容值C_{p_1}和副边补偿电容值C_{s_1}；

(2)将变流器的开关频率设置在原边线圈、副边线圈各自谐振频率之间的某个特定的频率点，该特定频率点也就是原边变流器开关频率f_psr

(3)计算副边线圈的电抗X_s

X_s＝2πf_psrL_{s_1}－1/2πf_psrC_{s_1}，

(4)对副边变流器进行负载阻抗变换，计算变换后无接触变压器的最优电阻R_{Leq_opt}

(5)计算最优电压比ξ_{for_opt}

其中ω_{_0}为设计开关角频率，L_{p_1}为原边线圈在设计频率ω_{_0}下的电感值，R_{p_1}为原边线圈在设计频率ω_{_0}下的电阻值，L_{s_1}为副边线圈在设计频率ω_{_0}下的电感值，R_{s_1}为副边线圈在设计频率ω_{_0}下的电阻值，M_{_1}为原边线圈和副边线圈在设计频率ω_{_0}下的互感值，C_{p_1}为线圈补偿电容值，C_{s_1}为副边线圈补偿电容值。

2.根据权利要求1所述的感应电能传输***功率提升方法，其特征在于：

(1)设置原边变流器的开关频率：

(2)设置所述的原边发射线圈的输入电压为U_in，输出电压：

U_o＝ξ_{for_opt}U_in；

(3)设置副边变流器输出电压相对于其输出电流的相位角：

其中

为副边变流器输出电压相对于其输出电流的相位角；

(4)设置副边变流器输出电压的移相角：

其中R_L为负载电阻值。

3.根据权利要求1所述的感应电能传输***功率提升方法，其特征在于：原边变流器通过调节其移相角来调节输出电压；副边控制器检测输出直流电压U_o，副边控制器通过无线通信方式将输出直流电压U_o传递到原边控制器，原边控制器将输出直流电压的参考值与实际值比较，原边控制器根据输出直流电压U_o的误差值计算出原边变流器的移相角，原边变流器通过调节其移相角来调节输出电压U_o。

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