CN113629895A - 基于混合负载匹配的宽负载范围高效wpt***及其优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***及其优化方法,属于无线电传输技术领域,解决了现有技术中WPT***难以始终保持在高效率区域工作的问题,本发明包括发射端电路和接收端电路,发射端电路包括直流输入电压UDC、桥式逆变电路和发射线圈电路,接收端电路包括接收线圈电路,接收线圈电路包括接收线圈,发射线圈与接收线圈之间的互感为M,接收线圈电路的两端通过开关继电器S1连接有负载阻抗调节电容CST,接收线圈电路还连接有LCC拓扑补偿线圈,LCC拓扑补偿线圈的两端通过开关继电器S2连接有SS拓扑补偿电容CT,LCC拓扑补偿线圈还连接有桥式整流电路,桥式整流电路上连接有开关继电器S3。本发明用于使WPT***在宽负载范围内保持高效率。
Description
技术领域
本发明属于无线电传输技术领域,具体涉及一种基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***及其优化方法。
背景技术
无线功率传输(wireless power transfer,WPT)技术已经应用于许多工业应用,如LEDs、自动引导汽车、电动汽车、铁路等,因为它可以在电源和负载之间进行无线功率传输,而不需要任何直接的电气连接。对于WPT***,***效率是需要认真考虑的关键性能之一,因为它显著影响经济效益。一般情况下,WPT***的最优传输效率只出现在某一特定负载值,即当负载偏离最优值时,传输效率会严重下降。不幸的是,大多数WPT应用场合的典型负载是电池,而电池的等效负载阻抗在充电期间会发生变化。因此,在宽负载范围内保持高效率是WPT***的主要挑战。在以往的文献中对这一问题做了大量的研究,主要提出了四类解决方法:
1)第一种方法是利用功率转换器,例如dc/dc转换器,有源整流器实现最大效率点跟踪控制方案。该方法通过控制功率转换器将负载转换为最优负载。尽管通过这些方法可以显著提高WPT效率,但由于引入了一些额外的功率损耗,例如开关损耗,以及需要额外的安装空间,功率转换器仍然对WPT***产生负面影响;
2)第二种方法是调节***工作频率。然而,这种方法是受到限制的,因为它需要遵守工业科学医学频带的规定;
3)第三种方法是使用可切换电路来创建多个效率负载曲线。通过切换,***参数或拓扑在不同的负载范围内被选择性地改变。然后,***效率保持在曲线的顶部区域。使用可切换电容/电感矩阵或可切换LCL电路可有效的对负载电阻进行变换。然而,大量附加的无源组件和开关增加了***的规模和复杂性;
4)为了在不需要复杂控制的情况下保持高效率,最近提出了一种运行模式选择(Operation mode selection,OMS)方法。遗憾的是,OMS更适合轻载情况,因为它只能将最优负载转换为原来的4倍。
目前的方法或多或少都还存在一定的问题,因此,提出一种使WPT***在宽负载范围内保持高效率的设计方法仍然是一个重大挑战。
发明内容
本发明的目的在于:
为解决现有技术中WPT***难以始终保持在高效率区域工作的问题,提供一种基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***及其优化方法。
本发明采用的技术方案如下:
基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***,包括发射端电路和接收端电路,所述发射端电路包括直流输入电压UDC、桥式逆变电路和发射线圈电路,所述发射线圈电路包括依次连接的发射线圈谐振补偿电容CP、发射线圈和发射线圈内阻RP,所述发射线圈的寄生电感为LP,所述接收端电路包括接收线圈电路,所述接收线圈电路包括依次连接的接收线圈谐振补偿电容CS、接收线圈和接收线圈内阻RS,所述接收线圈的寄生电感为LS,所述发射线圈与接收线圈之间的互感为M,所述接收线圈电路的两端通过开关继电器S1连接有负载阻抗调节电容CST,接收线圈电路还连接有LCC拓扑补偿线圈,所述LCC拓扑补偿线圈的电感为LT,LCC拓扑补偿线圈的两端通过开关继电器S2连接有SS拓扑补偿电容CT,LCC拓扑补偿线圈还连接有桥式整流电路,所述桥式整流电路的两端分别连接有滤波电容CD和负载电阻RL,所述桥式整流电路上连接有开关继电器S3。
进一步地,所述桥式逆变电路由4个三极管Q1、Q2、Q3和Q4组成高频逆变器。
进一步地,所述桥式整流电路由4个整流二极管D1、D2、D3和D4组成。
基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***优化方法,使用上述的***,包括如下步骤:
将开关继电器S1、S2、S3的接通和断开分别组合设置为四种***模式:
当S1,S3断开,S2闭合时,WPT***是原始的全桥整流S-S***S-S-F模式,***的最优等效交流负载RSeqopt表示为:
当S1断开,S2、S3接通时,整流器由全桥状态转换为半桥状态,此时的WPT***是带有半桥整流器的S-S***S-S-H模式,将等效交流负载RSeq转换为S-S-F模式的1/4,此时S-S-H模式的最优直流负载RLHSopt与S-S-F模式的RLFSopt的关系为:
RLHSopt=4·RLFSopt (11)
当S2,S3断开,S1闭合时,WPT***转换为全桥整流S-LCC***S-LCC-F模式,根据基尔霍夫定理,得到以下方程:
将***效率η定义为:
通过求解式(3)得到各电流表达式并代入式(4),效率η可表示为:
其中,A=2·RCeq,B=2·M2,
为进一步求解***最优等效交流负载,对效率进行求导:
得到此时***最优等效交流负载:
此时,将S3接通,整流器由全桥状态转换为半桥状态,此时的WPT***是带有半桥整流器的S-LCC***S-LCC-H模式,同理此时最优直流负载RLHCopt与S-LCC-F模式的RLFCopt的关系为:
RLHCopt=4·RLFCopt (16)
由式(2)可知,S-S-F模式的RSeqopt与WPT***固有参数M,ω,RP和RS高度相关,当WPT***参数固定时,RSeqopt也相应固定。然而,除了WPT***固有参数外,S-LCC-F模式的最优等效交流负载RCeqopt还与CST相关,故可通过设计CST来调节RSeqopt和RCeqopt之间的关系,RSeqopt和RCeqopt之间的关系定义为:
RCeqopt=n·RSeqopt (17)
将式(2)、式(7)代入式(9)可得:
其中:D=RPRS,此时RLFCopt等于nRLFSopt;
对于不同的n值,通过改变WPT***的最优直流负载,构造出四条效率曲线,通过在每条曲线的连接处改变开关状态,实现效率优化。
进一步地,通过改变开关状态实现效率优化的方法如下:
对于0<n<0.25,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFCopt<RLHCopt<RLFSopt<RLHSopt;
对于0.25<n<1,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFCopt<RLFSopt<RLHCopt<RLHSopt;
对于1<n<4,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFSopt<RLFCopt<RLHSopt<RLHCopt;
对于n>4,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFSopt<RLHSopt<RLFCopt<RLHCopt;
将不同n值下各模式负载的相邻效率曲线的连接处负载值均设为R1,R2,R3,其中R1<R2<R3,当RL分别处于小于R1范围、R1-R2范围、R2-R3范围和大于R3范围时,分别选取所在范围效率最高的曲线,并将***切换为对应模式。
综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
1、本发明提出了一种混合可重构的高效WPT***,在该***中,通过混合重构电路拓扑(S-S/S-LCC)和整流运行模式(全桥/半桥),可将最优负载转换为原来的n/4/4n次,使WPT***始终工作在高效率区域,克服现有技术中几种方法的缺陷,解决了***受限制的问题。
2、本发明的***体积较小,不需要增加额外的dc/dc变换器,只需三个低速低成本开关、一个电感器和两个电容器就可以实现所提出的WPT***的混合重构。本发明***中的线圈无需特殊设计,***不引入无功功率,有效降低了***的复杂度,提升了效率。
附图说明
图1为本发明的宽负载范围高效WPT***拓扑结构图;
图2为本发明***S1,S3断开,S2闭合时的电路图;
图3为本发明***S1断开,S2、S3闭合时的电路图;
图4为本发明***S2,S3断开,S1闭合时的电路图;
图5为本发明***S2断开,S1、S3闭合时的电路图;
图6为本发明***0<n<0.25时,各模式下的负载与效率曲线图;
图7为本发明***0.25<n<1时,各模式下的负载与效率曲线图;
图8为本发明***1<n<4时,各模式下的负载与效率曲线图;
图9为本发明***n>4时,各模式下的负载与效率曲线图。
图中各变量分别表示:
UDC:直流输入电压
VP:逆变器输出电压
IP:发射线圈电流
LP:发射线圈寄生电感
CP:发射线圈谐振补偿电容
RP:发射线圈内阻
M:发射线圈与接收线圈之间的互感
LS:接收线圈寄生电感
CS:接收线圈谐振补偿电容
RS:接收线圈内阻
IS:接收线圈电流
CT:SS拓扑补偿电容
CST:负载阻抗调节电容
VS:整流桥输入电压
VO:整流桥输出电压
RL:负载电阻
LT:LCC拓扑补偿电感
IT:整流桥输入电流
ω:***工作角频率
S1-S3:开关继电器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明的基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***优化方法,包括如下步骤:
将开关继电器S1、S2、S3的接通和断开分别组合设置为四种***模式:
当S1,S3断开,S2闭合时,WPT***是原始的全桥整流S-S***S-S-F模式,***的最优等效交流负载RSeqopt表示为:
当S1断开,S2、S3接通时,整流器由全桥状态转换为半桥状态,此时的WPT***是带有半桥整流器的S-S***S-S-H模式,将等效交流负载RSeq转换为S-S-F模式的1/4,S-S-H模式的最优直流负载RLHSopt与S-S-F模式的RLFSopt的关系为:
RLHSopt=4·RLFSopt (20)
当S2,S3断开,S1闭合时,WPT***转换为全桥整流S-LCC***S-LCC-F模式,根据基尔霍夫定理,得到以下方程:
将***效率η定义为:
通过求解式(3)得到各电流表达式并代入式(4),效率η可表示为:
其中,A=2·RCeq,B=2·M2,
为进一步求解***最优等效交流负载,对效率进行求导:
得到此时***最优等效交流负载:
此时,将S3接通,整流器由全桥状态转换为半桥状态,此时的WPT***是带有半桥整流器的S-LCC***S-LCC-H模式,同理此时最优直流负载RLHCopt与S-LCC-F模式的RLFCopt的关系为:
RLHCopt=4·RLFCopt (25)
由式(2)可知,S-S-F模式的RSeqopt与WPT***固有参数M,ω,RP和RS高度相关,当WPT***参数固定时,RSeqopt也相应固定,除了WPT***固有参数外,S-LCC-F模式的最优负载RCeqopt还与CST相关,故可通过设计CST来调节RSeqopt和RCeqopt之间的关系,RSeqopt和RCeqopt之间的关系定义为:
RCeqopt=n·RSeqopt (26)
将式(2)、式(7)代入式(9)可得:
其中:D=RPRS,此时RLFCopt等于nRLFSopt;
对于不同的n值,通过改变WPT***的最优直流负载,构造出四条效率曲线,通过在每条曲线的连接处改变开关状态,实现效率优化。
进一步地,通过改变开关状态实现效率优化的方法如下:
对于0<n<0.25,各模式下的最优负载大小排列为RLFCopt<RLHCopt<RLFSopt<RLHSopt;
对于0.25<n<1,各模式下的最优负载大小排列为RLFCopt<RLFSopt<RLHCopt<RLHSopt;
对于1<n<4,各模式下的最优负载大小排列为RLFSopt<RLFCopt<RLHSopt<RLHCopt;
对于n>4,各模式下的最优负载大小排列为RLFSopt<RLHSopt<RLFCopt<RLHCopt;
将不同n值下各模式负载的相邻效率曲线的连接处负载值均设为R1,R2,R3,其中R1<R2<R3,当RL分别处于小于R1范围、R1-R2范围、R2-R3范围和大于R3范围时,分别选取所在范围效率最高的曲线,并将***切换为对应模式。
其中参数配置如下:
(1)ω=2πf
式中,f为***工作频率,
下表中列出了本发明WPT***的不同模式与对应的开关状态。
表1
高频逆变器将直流输入电压Vin变换为高频交流电压,并为其后的谐振网络供电。其中,谐振补偿电容CP的作用在于使原边线圈工作于谐振状态,避免引入无功电流,并形成与高频交流电压相同频率的高频交流电流通过原边线圈,在原边线圈周围产生高频交变磁场。接收线圈在原边线圈产生的高频交变磁场中感应产生高频交流电压,并作为等效电压源为接收端电路供电。接收端补偿电容CS的作用在于使接收端工作于谐振状态,避免引入无功电流。根据开关S1-S3的不同状态组合,所提出的高效WPT***可分为4种不同的模式。当S1、S3关断、S2闭合时,WPT***为具有全桥整流的原S-S***(S-S-F),如图2所示。当S1断开,S2、S3闭合时,WPT***为具有半桥整流器的S-S***(S-S-H),如图3所示。当S1闭合,S2、S3关断时,WPT***为具有全桥整流的S-LCC***(S-LCC-F),如图4所示。当S1、S3闭合,S2关断时,WPT***为具有半桥整流的S-LCC***(S-LCC-H),如图5所示。RSeq(RCeq)是交流等效负载电阻。
以1<n<4例,如图8所示,各模式下的最优负载大小排列为RLFSopt<RLFCopt<RLHSopt<RLHCopt;将该n值下各模式负载的相邻效率曲线的连接处负载值分别设为R1,R2,R3,当RL小于R1范围时,S1,S3断开,S2闭合,WPT***工作在S-S-F模式;当RL处于R1-R2范围时,S2,S3断开,S1闭合,WPT***工作在S-LCC-F模式;当RL处于R2-R3范围时,S1断开,S2,S3闭合,WPT***工作在S-S-H模式;当RL大于R3时,S2断开,S1,S3闭合,WPT***工作在S-LCC-H模式;通过切换WPT***工作模式,WPT***的效率在宽负载范围内始终保持在效率曲线的顶部区域,***获得高效率输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***,其特征在于,包括发射端电路和接收端电路,所述发射端电路包括直流输入电压UDC、桥式逆变电路和发射线圈电路,所述发射线圈电路包括依次连接的发射线圈谐振补偿电容CP、发射线圈和发射线圈内阻RP,所述发射线圈的寄生电感为LP,所述接收端电路包括接收线圈电路,所述接收线圈电路包括依次连接的接收线圈谐振补偿电容CS、接收线圈和接收线圈内阻RS,所述接收线圈的寄生电感为LS,所述发射线圈与接收线圈之间的互感为M,所述接收线圈电路的两端通过开关继电器S1连接有负载阻抗调节电容CST,接收线圈电路还连接有LCC拓扑补偿线圈,所述LCC拓扑补偿线圈的电感为LT,LCC拓扑补偿线圈的两端通过开关继电器S2连接有SS拓扑补偿电容CT,LCC拓扑补偿线圈还连接有桥式整流电路,所述桥式整流电路的两端分别连接有滤波电容CD和负载电阻RL,所述桥式整流电路上连接有开关继电器S3。
2.根据权利要求1所述的基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***,其特征在于,所述桥式逆变电路由4个三极管Q1、Q2、Q3和Q4组成高频逆变器。
3.根据权利要求1所述的基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***,其特征在于,所述桥式整流电路由4个整流二极管D1、D2、D3和D4组成。
4.基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***优化方法,使用权利要求1-3所述的***,其特征在于,包括如下步骤:
将开关继电器S1、S2、S3的接通和断开分别组合设置为四种***模式:
当S1,S3断开,S2闭合时,WPT***是原始的全桥整流S-S***S-S-F模式,***的最优交等效流负载RSeqopt表示为:
当S1断开,S2、S3接通时,整流器由全桥状态转换为半桥状态,此时的WPT***是带有半桥整流器的S-S***S-S-H模式,将等效交流负载RSeq转换为S-S-F模式的1/4。因此,S-S-H模式的最优直流负载RLHSopt与S-S-F模式的RLFSopt的关系为:
RLHSopt=4·RLFSopt (2)
当S2,S3断开,S1闭合时,WPT***转换为全桥整流S-LCC***S-LCC-F模式,根据基尔霍夫定理,得到以下方程:
将***效率η定义为:
通过求解式(3)得到各电流表达式并代入式(4),效率η可表示为:
其中,A=ω2·RCeq,B=ω2·M2,
为进一步求解***最优等效交流负载,对效率进行求导:
得到此时***最优等效交流负载:
此时,将S3接通,整流器由全桥状态转换为半桥状态,此时的WPT***是带有半桥整流器的S-LCC***S-LCC-H模式,此时最优直流负载RLHCopt与S-LCC-F模式的RLFCopt的关系为:
RLHCopt=4·RLFCopt (7)
由式(2)可知,S-S-F模式的RSeqopt与WPT***固有参数M,ω,RP和RS高度相关,当WPT***参数固定时,RSeqopt也相应固定。除了WPT***固有参数外,S-LCC-F模式的最优交流等效负载RCeqopt还与CST相关,故通过设计CST来调节RSeqopt和RCeqopt之间的关系,RSeqopt和RCeqopt之间的关系定义为:
RCeqopt=n·RSeqopt (8)
将式(2)、式(7)代入式(9)可得:
其中:D=RPRS,此时RLFCopt等于nRLFSopt;
对于不同的n值,通过改变WPT***的最优直流负载,构造出四条效率曲线,通过在每条曲线的连接处改变开关状态,实现效率优化。
5.根据权利要求4所述的基于混合负载匹配的宽负载范围高效WPT***优化方法,其特征在于,通过改变开关状态实现效率优化的方法如下:
对于0<n<0.25,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFCopt<RLHCopt<RLFSopt<RLHSopt;
对于0.25<n<1,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFCopt<RLFSopt<RLHCopt<RLHSopt;
对于1<n<4,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFSopt<RLFCopt<RLHSopt<RLHCopt;
对于n>4,各模式下的最优直流负载大小排列为RLFSopt<RLHSopt<RLFCopt<RLHCopt;
将不同n值下各模式负载的相邻效率曲线的连接处负载值均设为R1,R2,R3,其中R1<R2<R3,当RL分别处于小于R1范围、R1-R2范围、R2-R3范围和大于R3范围时,分别选取所在范围效率最高的曲线,并将***切换为对应模式。
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