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CN116231887A - 基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统及性能优化方法 - Google Patents

基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统及性能优化方法 Download PDF

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CN116231887A
CN116231887A CN202310284022.4A CN202310284022A CN116231887A CN 116231887 A CN116231887 A CN 116231887A CN 202310284022 A CN202310284022 A CN 202310284022A CN 116231887 A CN116231887 A CN 116231887A
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CN
China
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wireless power
tube
power transmission
input current
coil
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CN202310284022.4A
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杨奕
张馨月
郭科
谢诗云
张路
李星龙
万梓豪
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Chongqing University of Technology
Original Assignee
Chongqing University of Technology
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Abstract

本发明涉及无线电能传输技术，具体为一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统及性能优化方法，采用多模块集成电路，即两路或三路单管逆变无线电能传输电路输入端并联连接，输出端串联连接，对输入电流进行快速傅里叶变换分析其构成，以一个基准电路输入电流为基准，根据矢量分析改变其他单管无线电能发射电路控制信号的导通移相角，进而改变各路系统工作波形之间的移相角度，实现各路输入电流纹波的叠加抵消。其效果是有效减小单管无线电能传输系统输入电流的纹波，使得输入电流变得稳定，提高系统效率。此外，由于采用了多模块集成电路，无线电能传输系统输出功率也得以提高，相较于传统多线圈单管逆变电路，结构更加简单。

Description

基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统及性能优化方法
技术领域
本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统及性能优化方法。
背景技术
无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)指的是无需导线就能直接将电能转换为电磁波等形式，通过空间将能量从电源传递到负载的电能传输技术。无线充电就是一种无线电能传输技术，实现了电源和负载之间的完全电气隔离，克服了传统有限输电方式可能带来的线路老化、磨损等危害，具有安全、可靠、灵活等优点。
在无线电能传输系统研究中，研究对象多为全桥或半桥拓扑，电路较为复杂，存在桥臂直通隐患。传统单开关管逆变电路具有结构简单，开关管数量少、成本低、驱动方便、易实现零电压开通等优点，但是其输出电压波形为近似半波，存在系统电压电流总谐波失真(THD)较高、输入电流纹波较大、系统中无功功率较大等不足问题。
发明内容
有鉴于此，本发明首先提供一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，在单管LC补偿网络中串入LC谐振电路进行谐振，将发射线圈Lp作为无线电能传输发射线圈，可输出全波正弦高频交流电，同时调节LC谐振电路的LC谐振参数可调节软开关裕量，弥补当前没有高功率因素、具有全波输出电压的单管逆变电路的空白，通过并联多个发射端并通过控制系统输入电流的角度对进行纹波抑制，可有效解决单管谐振式逆变电路输入电流纹波问题，同时增大传输功率，提高系统效率及系统功率等级。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其关键在于，包括直流电源、至少两个单管无线电能传输电路和用电负载，所述至少两个单管无线电能传输电路的输入端并联接入所述直流电源，所述至少两个单管无线电能传输电路的输出端串联接入同一所述用电负载。
可选地，每一个单管无线电能传输电路的结构相同，包括能量发射端和能量接收端，所述能量发射端包括原边谐振电感、原边并联补偿电容、原边谐振电容、发射线圈和功率开关管；所述能量接收端包括接收线圈、副边谐振电容和整流滤波电路；所述原边谐振电感、所述原边并联补偿电容和所述原边谐振电容构成串联回路连接在所述直流电源的两端，所述发射线圈并联在所述原边并联补偿电容上，所述功率开关管并联在所述原边谐振电容上，用于实现原边谐振电容的短路控制。
可选地，所述功率开关管为增强型NMOS管。
可选地，所述至少两个单管无线电能传输电路包括第一单管无线电能传输电路和第二单管无线电能传输电路。
可选地，所述至少两个单管无线电能传输电路包括第一单管无线电能传输电路、第二单管无线电能传输电路和第三单管无线电能传输电路。
可选地，所述第一单管无线电能传输电路、第二单管无线电能传输电路和第三单管无线电能传输电路对应的三个发射线圈在同一平面上呈三角分布。
可选地，在每一个单管无线电能传输电路的输入端连接有输入电流采样模块，所述输入电流采样模块将采集的电流信号送入控制电路模块中，所述控制电路模块输出一定频率的PWM信号控制所述至少两个单管无线电能传输电路中的功率开关元件。
可选地，所述控制电路模块输出不同导通相移角度的PWM信号控制各个功率开关元件，用于实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
基于前文提到的两线圈单管逆变的无线电能传输系统，本发明还提出一种性能优化方法，两个单管无线电能传输模块在均匀耦合情况下，各个单管无线电能传输模块的输入电流的基波相同，设置第一单管无线电能传输模块的导通相移角为0，设置第二单管无线电能传输模块的导通相移角为180°，使其实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
此外，基于前文提到的三线圈单管逆变的无线电能传输系统，本发明还提出一种性能优化方法，包括以下步骤：
S1:选择第一单管无线电能传输模块为基准，令其导通相移角为0；
S2：通过输入电流采样模块获取各路单管无线电能传输模块的输入电流，根据快速傅里叶变换分解出各个电流的基波；
S3:按照
Figure BDA0004139124210000031
确定第二单管无线电能传输模块的移相角α和第三单管无线电能传输模块的移相角β；
其中：Iin1、Iin2、Iin3分别对应为各个单管无线电能传输模块的输入电流的基波；
S4：控制电路模块通过输出不同导通相移角度的PWM信号控制对应功率开关元件，实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
本发明的显著效果是：
本发明拓扑结构简单、控制/驱动电路容易实现，且开关管数量少，能有效减小单管无线电能传输系统输入电流的纹波，使得输入电流变得稳定，提高系统效率及系统功率等级。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施例中的三线圈单管逆变的无线电能传输系统电路原理图；
图2为本发明具体实施例中单管无线电能传输电路工作波形图；
图3为本发明具体实施例中的三线圈单管逆变的无线电能传输系统的等效模型图；
图4为基波移相控制的原理示意图；
图5为本发明具体实施例中的移相控制系统架构图；
图6为三线圈系统控制信号不移相时的电流波形；
图7为三线圈系统控制信号移相时的电流波形；
图8为两线圈系统控制信号不移相时的电流波形；
图9为两线圈系统控制信号移相时的电流波形；
图10为移相前后传输效率对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，包括直流电源、至少两个单管无线电能传输电路和用电负载，所述至少两个单管无线电能传输电路的输入端并联接入所述直流电源，所述至少两个单管无线电能传输电路的输出端串联接入同一所述用电负载。
本实施例中，所述至少两个单管无线电能传输电路包括第一单管无线电能传输电路、第二单管无线电能传输电路和第三单管无线电能传输电路，三个发射线圈在同一平面上呈三角分布。每一个单管无线电能传输电路的结构相同，包括能量发射端和能量接收端，所述能量发射端包括原边谐振电感、原边并联补偿电容、原边谐振电容、发射线圈和功率开关管；所述能量接收端包括接收线圈、副边谐振电容和整流滤波电路；所述原边谐振电感、所述原边并联补偿电容和所述原边谐振电容构成串联回路连接在所述直流电源的两端，所述发射线圈并联在所述原边并联补偿电容上，所述功率开关管并联在所述原边谐振电容上，用于实现原边谐振电容的短路控制。
通过图1可以看出，Vdc为系统输入直流电压；Q1～Q3为功率开关管，通常选用增强型NMOS管；Cp1～Cp3为原边并联补偿电容；Lp1～Lp3为发射线圈；Rp1～Rp3为发射线圈等效内阻；Lf1～Lf3为原边谐振电感；Cf1～Cf3为原边谐振电容；M1～M3为耦合线圈间互感；Ls1～Ls3为接收线圈；Rs1～Rs3为接收线圈等效内阻；Cs1～Cs3为副边谐振电容；D1～D3为整流桥；CL1～CL3为输出滤波电容；RL为负载电阻。
Figure BDA0004139124210000051
为每个逆变器的输入电流；
Figure BDA0004139124210000052
为发射线圈输入电流；
Figure BDA0004139124210000053
接收线圈输出电流；
Figure BDA0004139124210000054
为整流桥输入电压；IL为负载电流；VL为负载电压。
假设电路中各元器件为理想元件，本实施例中的单管逆变电路工作模态及工作波形如图2所示，具体模态过程为：
1)模态I[t0-t1]：t0时刻，Vds＝0，开关管实现ZVS导通，Iin3、ILp3分别减小至过零；然后，Lp3开始正向增大，Iin3开始反向增大，Cp3等效短路，Vds保持为零。
2)模态II[t1-t2]：t1时刻，开关管关断，Lf与Cf、Lp3与Cp3分别开始谐振；然后，ILp3开始反向减小，Iin3开始正向减小，Vds开始正向增大。
3)模态III[t2-t3]：t2时刻，ILp3、Iin3分别减小至过零，Vds达到最大值；然后，ILp3开始正向增大，Iin3开始反向增大，Vds开始正向减小。
4)模态IV[t3-t4]：t3时刻，ILp1达到最大值，ILp1达到最小值，Vds下降至零，Lf与Cf、Lp3与Cp3结束谐振。然后，ILp3开始正向减小，Iin开始反向减小，Vds保持为零。
5)模态V[t4-t5]：t4时刻，驱动波形变为高电平，由于流过Lf电流仍为负电流，故开关管仍处于关断状态，Lp3继续正向放电。当ILf＝0时，进入下一开关周期重复模态I。
在无线电能传输过程中，有效能量的传输主要依靠高频交流电的基波即与开关频率同频的波，而倍频的谐波传输的能量较少，可将该系统中的电压电流大小采用基波幅值表示。因此，可以采用互感耦合原理，将图1所示的无线电能传输系统感应耦合互感等效模型等效为图3，进一步分析该无线电能传输系统的电场情况。
图3中RL1～RL3为整流电路与负载的等效电阻，分别可等效为：
Figure BDA0004139124210000061
以图3中所标的电流方向为参考方向，对9个网孔列写KVL方程，得到方程为：
Figure BDA0004139124210000062
为实现发射端与接收端之间的调谐匹配，补偿电容的大小应该满足：
Figure BDA0004139124210000063
求得输入电流的表示为：
Figure BDA0004139124210000064
通过上述公式求得输入电流
Figure BDA0004139124210000065
后可利用傅里叶变换对输入电流
Figure BDA0004139124210000066
分解,以求其直流分量Idc、基波分量以及各次谐波分量
Figure BDA0004139124210000067
并按照式(4)所示的矢量分析对基波进行移相抑制。
根据求出的每相单管逆变输入电流Iin1、Iin2、Iin3，利用式(5)所示的快速傅里叶变换将输入电流分解为直流分量、基波以及各次谐波的叠加。
Figure BDA0004139124210000071
式中，a0为直流分量，
Figure BDA0004139124210000072
为基频。
Figure BDA0004139124210000073
根据式(5)可以得到各分系统的基波Iin1、Iin2、Iin3以及输入电流Iin1、Iin2、Iin3的谐波，根据式(18)的矢量分析可以对基波进行相移和抑制。
Figure BDA0004139124210000074
令子系统1的移相角为零，则α和β分别为子系统2、子系统3的移相角。
该系统的结构如5所示，通过调整线圈移相导通角α、β对直流源输出总电流控制，使得总电流的交流分量最小，效率更高。在实际系统中，可以选择第一个单管无线电能传输模块为基准，令其导通角为0，剩下两个控制自由角度根据每个单独模块的输入电流决定。
通过图5可以看出，本实施例中提供的一种基于三线圈单管逆变的无线电能传输系统，包括直流电源1、控制电路模块2、输入电流采样模块3、用电负载4、第一单管无线电能传输电路5、第二单管无线电能传输电路6、第三单管无线电能传输电路7，第一单管无线电能传输电路5、第二单管无线电能传输电路6、第三单管无线电能传输电路7的输入端并联接入直流电源1，第一单管无线电能传输电路5、第二单管无线电能传输电路6、第三单管无线电能传输电路7的输出端串联接入同一用电负载4。在每一个单管无线电能传输电路的输入端连接有输入电流采样模块3，输入电流采样模块3将采集的电流信号送入控制电路模块2中，控制电路模块2输出一定频率的PWM信号控制各个单管无线电能传输电路中的功率开关元件，控制电路模块2输出不同导通相移角度的PWM信号控制各个功率开关元件，用于实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
具体控制时，本实施例给出了一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统的性能优化方法，包括以下步骤：
S1:选择第一单管无线电能传输模块为基准，令其导通相移角为0；
S2：通过输入电流采样模块获取各路单管无线电能传输模块的输入电流，根据快速傅里叶变换分解出各个电流的基波；
S3:按照
Figure BDA0004139124210000081
确定第二单管无线电能传输模块的移相角α和第三单管无线电能传输模块的移相角β；
其中：Iin1、Iin2、Iin3分别对应为各个单管无线电能传输模块的输入电流的基波；
S4：控制电路模块通过输出不同导通相移角度的PWM信号控制对应功率开关元件，实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
为了验证本实施例给出的技术方案的效果，下面在在MATLAB上搭建了仿真模型，通过仿真说明移相控制方案带来的优点，其输入电压保持为25V，输出电压保持为20V，输出功率保持为20W，开关频率保持为200k。
首先在非均匀耦合情况下，测量三线圈无线电能传输系统仿真模型各路输入电流波形与电源输出电流波形，得到仿真结果波形如图6、图7所示，横坐标为时间(单位s)，纵坐标为电流(单位A)。图6为发射端控制信号同相时发射电源电流波形，其电源电流峰峰值为8.65；图7发射端控制信号移相发射电源电流波形，其电源电流峰峰值为0.3。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别主要在于将三线圈结构改为两线圈结构，系统中的单管无线电能传输电路仅包括第一单管无线电能传输电路和第二单管无线电能传输电路。两个单管无线电能传输模块在均匀耦合情况下，各个单管无线电能传输模块的输入电流的基波相同，优化控制时可以直接设置第一单管无线电能传输模块的导通相移角为0，设置第二单管无线电能传输模块的导通相移角为180°，使其实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
针对两线圈结构系统，按照实施例仿真实验中的参数配置，均匀耦合情况下，测量两线圈无线电能传输系统仿真模型各路输入电流波形与电源输出电流波形，得到仿真结果波形如图8、图9所示，横坐标为时间(单位s)，纵坐标为电流(单位A)。图8为发射端控制信号同相时发射电源电流波形，其电源电流峰峰值为8.65；图9发射端控制信号移相发射电源电流波形，其电源电流峰峰值为0.3。
结合上述两个实施方式的数据和结果图可以清晰地得出，采取本发明提出的系统及优化方法可以大大减小电源电流波动，从而提高无线电能传输效率。
最后，申请人还通过搭建实验样机验证本发明所提出优化方法的可行性，测试结果如图10所示，随着输入电压的不断增大，当输入电压大于8V时，移相后效果逐渐优于不移相的效果，当输入电压为25V时移相前的效率为83.8％，移相后的效率为87.6％，提升了3.8％。当输入电压为30V时移相前的效率为83.9％，移相后的效率为88.2％。其根本原因在于采用本发明所提出的控制方法后有效改善了输入电流纹波，从而使得系统效率增加。
综上可以看出，本发明提出的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统及性能优化方法，系统具备电路结构简单、控制/驱动电路简单、开关管数量少等特点；能有效减小单管无线电能传输系统输入电流的纹波，使得输入电流变得稳定，提高系统效率及系统功率等级。
最后需要说明的是，上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源、至少两个单管无线电能传输电路和用电负载，所述至少两个单管无线电能传输电路的输入端并联接入所述直流电源，所述至少两个单管无线电能传输电路的输出端串联接入同一所述用电负载。
2.根据权利要求1所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，每一个单管无线电能传输电路的结构相同，包括能量发射端和能量接收端，所述能量发射端包括原边谐振电感、原边并联补偿电容、原边谐振电容、发射线圈和功率开关管；所述能量接收端包括接收线圈、副边谐振电容和整流滤波电路；所述原边谐振电感、所述原边并联补偿电容和所述原边谐振电容构成串联回路连接在所述直流电源的两端，所述发射线圈并联在所述原边并联补偿电容上，所述功率开关管并联在所述原边谐振电容上，用于实现原边谐振电容的短路控制。
3.根据权利要求1所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，所述功率开关管为增强型NMOS管。
4.根据权利要求1所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，所述至少两个单管无线电能传输电路包括第一单管无线电能传输电路和第二单管无线电能传输电路。
5.根据权利要求1所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，所述至少两个单管无线电能传输电路包括第一单管无线电能传输电路、第二单管无线电能传输电路和第三单管无线电能传输电路。
6.根据权利要求5所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，所述第一单管无线电能传输电路、第二单管无线电能传输电路和第三单管无线电能传输电路对应的三个发射线圈在同一平面上呈三角分布。
7.根据权利要求1-6任一所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，在每一个单管无线电能传输电路的输入端连接有输入电流采样模块，所述输入电流采样模块将采集的电流信号送入控制电路模块中，所述控制电路模块输出一定频率的PWM信号控制所述至少两个单管无线电能传输电路中的功率开关元件。
8.根据权利要求7所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统，其特征在于，所述控制电路模块输出不同导通相移角度的PWM信号控制各个功率开关元件，用于实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
9.一种如权利要求4所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统的性能优化方法，其特征在于，两个单管无线电能传输模块在均匀耦合情况下，各个单管无线电能传输模块的输入电流的基波相同，设置第一单管无线电能传输模块的导通相移角为0，设置第二单管无线电能传输模块的导通相移角为180°，使其实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
10.如权利要求5所述的基于多线圈单管逆变的无线电能传输系统的性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:选择第一单管无线电能传输模块为基准，令其导通相移角为0；
S2：通过输入电流采样模块获取各路单管无线电能传输模块的输入电流，根据快速傅里叶变换分解出各个电流的基波；
S3:按照
Figure FDA0004139124190000021
确定第二单管无线电能传输模块的移相角α和第三单管无线电能传输模块的移相角β；
其中：Iin1、Iin2、Iin3分别对应为各个单管无线电能传输模块的输入电流的基波。
S4：控制电路模块通过输出不同导通相移角度的PWM信号控制对应功率开关元件，实现各路输入电流纹波的完全叠加抵消。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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