CN110445259B - 一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法 - Google Patents

一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了无线电传输技术领域的一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法，包括通过调整多发射机输入阻抗来分配发射机部分之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，当输入等效阻抗相同，多发射机的无线电能传输***效率得到最大值，所述发射部分包括电流采集模块、直流电源、高频逆变器、补偿电容、寄生电阻和初级线圈1到n。不需要计算***的具体效率，只需要TXs的等效电阻相同时，效率即可达到最大值。

Description

一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法
技术领域
本发明涉及无线电传输技术领域，具体为一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法。
背景技术
无线功率传输(WPT)作为一种简单方便的充电方式被广泛应用于车辆、列车、生物医用植入物、便携式电子移动设备等诸多应用中，具有巨大的发展前景，在无线电能传输***中，传输效率与发射和接收机的阻抗有关。传输效率的最大化需满足输入、输出阻抗的最佳匹配条件。通过调整输入阻抗的关系，实现传输效率的最大化。在实际中负载的阻抗并非恰好是***的最佳阻抗，存在阻抗失配问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法，以解决上述背景技术中提出的的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法，包括通过调整多发射机输入阻抗来分配发射机部分之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，当输入等效阻抗相同，多发射机***效率得到最大值，所述多发射机***的发射部分包括电流采集模块、直流电源、高频逆变器、补偿电容、寄生电阻和初级线圈1到n。
包括数据推导：输入等效阻抗与效率之间关系推导：n个发射机和一个接收的等效电路。各发射机的输入电压为Ui,Ci、Li、CS、LS分别为TX和RX中线圈的补偿电容和自感系数。MiS为Li与LS之间的互感，rS与RL为无线电能传输***RX与负载RL之间的寄生电阻。
所述多发射机无线电能传输***的电流、电压和互感之间的关系，其中每个TX和RX 之间的耦合不同，通过调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，最大效率点与RX负载、耦合的绝对强度或线圈的寄生电阻无关，因此最大效率点跟踪MEPT的定位不需要RX和Tx之间的任何通信链。
输入等效阻抗与效率之间关系推导方法为：
n个发射机和一个接收的等效电路；各发射机的输入电压为Ui,Ci为TX线圈的补偿电容，Li为TX线圈的自感系数，CS为RX线圈的补偿电容，LS为RX线圈的自感系数；MiS为Li与LS之间的互感，rS为无线电能传输***RX与负载RL之间的寄生电阻；
假设每个TX的参数相同，因此对于每个线圈，每个TXi的TX侧寄生电阻r和自感系数Li相同；
***中电感与电容的满足谐振关系为：
Figure GDA0003103567520000021
根据基尔霍夫电压定律KVL的矩阵方程为：
Figure GDA0003103567520000022
在s＝jω,ω表示角频率的***,ω＝2πf；
由于无线电能传输***中有n个发射机，***中可能存在交叉耦合，为了减小交叉耦合的影响，简化***分析，采用BPP线圈设计作为耦合器,该耦合器由两个相同的部分重叠线圈组成，线圈之间相互解耦，Mmk＝0，1≤m≤n,1≤k≤n，m≠k在这个假设下，交叉耦合会小到可以忽略不计；
TXs和RX中的谐振电流可由式(2)推导得到：
Figure GDA0003103567520000031
多发射机的***效率为：
Figure GDA0003103567520000032
发射线圈的电流和电压可以调节到设计值，存在一组参数可以使总效率最大化；
所述效率提升方法还包括提出基于阻抗匹配的多发射机无线电能传输***最大效率点跟踪策略；
该方法通过调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，并在发生失配时提高效率；
基于其中一个分支的电流比km表示为：
Figure GDA0003103567520000033
将式(5)代入式(4)可得效率为：
Figure GDA0003103567520000034
im和iS是
Figure GDA0003103567520000035
和
Figure GDA0003103567520000036
绝对值大小1≤m≤n，根据KVL，得到RX端方程为：
iS·(rS+RL)-s·M1S·i1-s·M2S·i2-…-s·MnS·in＝0 (7)
代入式(5)和式(7)，得到电流比i1/is是关于k1,k2……,kn的函数，可给出：
Figure GDA0003103567520000041
将式(8)代入式(6)，则***效率可简化为：
Figure GDA0003103567520000042
寻找η变量的最大点,设置η(k1,k2,...kn)一阶偏导数,让它等于0,表示为：
Figure GDA0003103567520000043
通过简化偏导式(10)，将其转化为式(11)：
Figure GDA0003103567520000044
因此电流与互感之间的关系通过如下推算得到：
i1：i2：…：im＝M1S：M2S：…：MmS，1≤m≤n (12)；
将式(12)代入式(2)，则TX的变送器电压为：
U1：U2：…：Un＝i1：i2：…：in＝M1S：M2S：…：MnS (13)
每个TX中电压/电流的比值等于TXs与RX之间的互感比；
TX的等效电阻为:
Figure GDA0003103567520000045
式(14)可转化为：
R1＝R2＝R3＝…＝Rm，m＝1，2，…，n (15)
当TXs的等效电阻相同时，效率将达到最大值；
其中式(15)与RX负载、耦合的绝对强度或线圈的寄生电阻无关。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1，不需要计算***的具体效率，只需要TXs的等效电阻相同时，效率即可达到最大值。
2，可以调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，提高发生失配时的效率。
3，PI控制器调节反馈回路，增强回路的稳态性能。降低了***成本，简化了电路结构；其控制策略简单、方便、可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的多发射机***的等效电路模型示意图；
图2为本发明线圈尺寸和运动方向的示意图；
图3为本发明M12、M1S、M2S在水平方向发生偏移，水平失调距离(d)由0mm变为200mm时的波动情况示意图；
图4为本发明不同水平失调距离(d)时***效率与电压比(k)的关系示意图；
图5为本发明***效率的变化示意图；
图6为本发明控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
请参阅图1-6，为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以双TXs ***为例，推导并讨论了在双TXs无线电能传输***中实现MEPT的效率、功耗和控制方法。
A***效率分析
将式(3)n设为2，可由KVL方程得到回路电流，因此，***效率(η)可以计算，本研究的重点是将BBP结构线圈应用到双TXs WPT***中，消除了TXs之间互感的影响，耦合模型如图2所示：
线圈尺寸和运动方向如图2所示，两种TXs的重叠程度为42.1mm,TXs与RX的垂直距离为100mm。
图3为M12、M1S、M2S在水平方向发生偏移，距离(d)由0mm变为200mm时的波动情况，计算结果在ANSYS MAXWELL软件中得到，当RX水平向TX1移动时，M1S的变化很小，而M2s则迅速减小，此外，M12互感可以被识别为零，因为它是相互解耦的，线圈自感系数的波动小于1％，可以忽略不计。
根据式(9),输入电压Vg和η没有关系,但它对TXs之间的水平失调距离(d)和电压比(k)有一定的抑制作用，同时，通过计算RX在一定位置时的偏导数，给出了最大效率的解析解。
不同水平失调距离(d)时***效率与电压比(k)的关系如图4所示，该方法利用优化后的电压比，可以在不同的失配情况下保持最大的效率。
B拓扑和控制方法
上述推导说明TXs的等效电阻是相同的，效率可以得到最大值，如图5所示，所以当U1与U2(k)之比等于M1S与M2S之比时，输入等效阻抗相同，从而使效率在双TXs***中得到最大值，
如图6所示，每个TX由一个半桥逆变器驱动，在RX水平向TX1移动，M1S>M2S的情况下，在接收端引入升压变换器，输入等效阻抗R1和R2是一个函数对α(β)的函数，首先设α为50％。
该控制策略基于两个解耦控制反馈回路。第一个控制是利用PI控制器实现升压控制，通过调节升压逆变器的负载来实现恒功率输出。第二控制回路是主控制器，通过与PI控制器的降阶(β)来实现阻抗匹配。第二控制回路采用扰动观察法(P&O)求输入功率的最小值，使效率达到最大值。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种基于多发射无线电能传输***的效率提升方法，其特征在于：包括通过调整多发射机输入阻抗来分配发射机部分之间的传输功率，提高了发生失配时的效率，当输入等效阻抗相同，多发射机无线电能传输***效率得到最大值，多发射机无线电能传输***的发射部分包括电流采集模块、直流电源、高频逆变器、补偿电容、寄生电阻和初级线圈1到n；
输入等效阻抗与效率之间关系推导方法为：
n个发射机和一个接收的等效电路；各发射机的输入电压为Ui,Ci为TX线圈的补偿电容，Li为TX线圈的自感系数，CS为RX线圈的补偿电容，LS为RX线圈的自感系数；MiS为Li与LS之间的互感，rS为无线电能传输***RX与负载RL之间的寄生电阻；
假设每个TX的参数相同，因此对于每个线圈，每个TXi的TX侧寄生电阻r和自感系数Li相同；
***中电感与电容的满足谐振关系为：
Figure FDA0003103567510000011
根据基尔霍夫电压定律KVL的矩阵方程为：
Figure FDA0003103567510000012
在s＝jω,ω表示角频率的***,ω＝2πf；
由于无线电能传输***中有n个发射机，***中可能存在交叉耦合，为了减小交叉耦合的影响，简化***分析，采用BPP线圈设计作为耦合器,该耦合器由两个相同的部分重叠线圈组成，线圈之间相互解耦，Mmk＝0，1≤m≤n,1≤k≤n，m≠k在这个假设下，交叉耦合会小到可以忽略不计；
TXs和RX中的谐振电流可由式(2)推导得到：
Figure FDA0003103567510000021
多发射机的***效率为：
Figure FDA0003103567510000022
发射线圈的电流和电压可以调节到设计值，存在一组参数可以使总效率最大化；
所述效率提升方法还包括提出基于阻抗匹配的多发射机无线电能传输***最大效率点跟踪策略；
该方法通过调整输入阻抗来分配TXs之间的传输功率，并在发生失配时提高效率；
基于其中一个分支的电流比km表示为：
Figure FDA0003103567510000031
将式(5)代入式(4)可得效率为：
Figure FDA0003103567510000032
im和iS是
Figure FDA0003103567510000033
和
Figure FDA0003103567510000034
绝对值大小1≤m≤n，根据KVL，得到RX端方程为：
iS·(rS+RL)-s·M1S·i1-s·M2S·i2-…-s·MnS·in＝0 (7)
代入式(5)和式(7)，得到电流比i1/is是关于k1,k2……,kn的函数，可给出：
Figure FDA0003103567510000035
将式(8)代入式(6)，则***效率可简化为：
Figure FDA0003103567510000036
寻找η变量的最大点,设置η(k1,k2,...kn)一阶偏导数,让它等于0,表示为：
Figure FDA0003103567510000037
通过简化偏导式(10)，将其转化为式(11)：
Figure FDA0003103567510000038
因此电流与互感之间的关系通过如下推算得到：
i1：i2：…：im＝M1S：M2S：…：MmS，1≤m≤n (12)；
将式(12)代入式(2)，则TX的变送器电压为：
U1：U2：…：Un＝i1：i2：…：in＝M1S：M2S：…：MnS (13)
每个TX中电压/电流的比值等于TXs与RX之间的互感比；
TX的等效电阻为:
Figure FDA0003103567510000041
式(14)可转化为：
R1＝R2＝R3＝…＝Rm，m＝1，2，…，n (15)
当TXs的等效电阻相同时，效率将达到最大值；
其中式(15)与RX负载、耦合的绝对强度或线圈的寄生电阻无关。
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