一种补偿电容可切换的无线电能传输装置及切换控制方法

1.本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种补偿电容可切换的无线电能传输装置及切换控制方法。


背景技术：

2.感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,icpt)系统由于可以实现电气上的隔离，具有安全便携的特点，在很多特殊领域可以发挥巨大作用，例如植入型医疗器械和水下特殊工作环境等。同时，利用icpt技术也可以实现较大的传输功率，可以用于电动汽车无线充电，解决目前电动汽车电池容量不足以及充电不便的问题。然而，电动汽车泊车定位不准导致的无线充电系统发射端与接收端之间的错位将会使线圈间耦合系数减小，进而导致传输功率及效率的大幅波动。
3.对于用于电动汽车等较大功率的icpt系统，大部分的研究主要从线圈结构、补偿电路拓扑以及增设中继线圈等方面对icpt系统进行优化,但应用最为广泛的补偿电路拓扑结构还是基本的串联
‑
串联(s
‑
s)结构，且往往使系统工作在谐振条件下，以获得最高的效率，并不讨论非谐振状态下的icpt系统的运行性能。
4.对于原边加电流源的无线充电系统来说，采用原边串联/副边串联(s/s)的补偿拓扑，并使电路处于谐振状态时，传输功率大小与耦合系数成正相关，但是在电压源型无线充电系统中，相同情况下原边线圈中的电流大小受副边线圈中阻抗性质及耦合系数的影响，最终导致在耦合系数较大的无线充电系统中出现耦合系数越大反而输出功率越小的情况。因此，电动汽车在停车过程中产生错位时，如果对发射端输入电压不加以适当的控制，将会引起传输功率的增大，不仅对线圈载流量提出了更高的要求，而且输出端相应增大的输出电压容易对电池造成损坏。为避免电动汽车在充电过程中发生上述情况，需要采用提高电压的方法达到预期输出功率，但这对电源提出了更高要求，且易引起过电流，这使得恒压源型icpt系统难以直接应用于工程实际。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是：提供一种补偿电容可切换的无线电能传输装置及切换控制方法，在一定的电源条件以及输出功率偏移的限制范围下，通过电压电流传感器获取传输功率的大小，并根据适当的电容切换方法切换至合适的电容参数配置，以保证传输功率偏差不超出限制范围。有效地改善了电压源型icpt系统的传输功率特性，使系统在产生较大偏移的条件下，仍能传输稳定的功率，从而消除对电源电压进行大范围调节的需求，有效克服闭环控制中对发射端与接收端之间通信需求的问题，大大提高了无线电能传输系统在不同场景中应用的可行性。
6.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
7.一种补偿电容可切换的无线电能传输装置，包括：发射端和接收端；
8.所述发射端包括：直流电源、高频逆变器、发射线圈(即原边线圈)、发射端补偿网
络(即原边补偿网络)和发射端电容切换控制机构；
9.所述接收端包括：接收线圈(即副边线圈)、接收端补偿网络(即副边补偿网络)、高频整流器和接收端电容切换控制机构；
10.所述直流电源与高频逆变器的输入端并联连接；
11.所述高频逆变器的输出端与发射端电容切换控制机构的输入端连接；
12.所述发射端电容切换控制机构的输出端与发射端补偿网络的一端连接；
13.所述发射端补偿网络的另一端与发射线圈的一端连接；
14.所述发射线圈与发射端补偿网络串联后，再并联至所述高频逆变器的输出端；
15.所述高频整流器的输出端与负载并联连接；
16.所述高频整流器的输出端与接收端电容切换控制机构的输入端连接；
17.所述接收端电容切换控制机构的输出端与接收端补偿网络的一端连接；
18.所述接收端补偿网络的另一端与接收线圈的一端连接；
19.所述接收线圈与接收端补偿网络串联后，再并联至所述高频整流器的输入端；
20.所述发射端补偿网络为串联补偿，所述接收端补偿网络也为串联补偿；
21.所述发射端电容切换控制机构用于：采集输入电压和输入电流信息，然后计算有功功率，并按照切换策略(即补偿电容可切换的无线电能传输装置的切换控制方法)控制发射端补偿网络，将合适的电容接入电路；
22.所述接收端电容切换控制机构用于：采集输出电压和输出电流信息，然后计算有功功率，并按照切换策略控制接收端补偿网络，将合适的电容接入电路。
23.在上述技术方案的基础上，所述发射端电容切换控制机构包括：发射端电压表、发射端电流表、发射端功率检测模块、发射端dsp(digital signal process，数字信号处理)芯片和发射端驱动电路；
24.所述发射端电流表串联至高频逆变器的输出回路；
25.所述发射端电压表的一端与高频逆变器的上输出端；连接；发射端电流表的另一端与发射端补偿网络的一端连接；
26.所述发射端功率检测模块与发射端电压表、发射端电流表、发射端dsp芯片均连接；
27.所述发射端dsp芯片与发射端驱动电路连接；
28.所述发射端驱动电路与发射端补偿网络的一端连接；
29.所述发射端电流表用于：采集输入电流；
30.所述发射端电压表用于：采集输入电压；
31.所述发射端功率检测模块用于：根据输入电压和输入电流信息，计算有功功率；
32.所述发射端dsp芯片用于：根据发射端功率检测模块计算的有功功率，按照切换策略，通过发射端驱动电路控制发射端补偿网络，将合适的电容接入电路。
33.在上述技术方案的基础上，所述接收端电容切换控制机构包括：接收端电压表、接收端电流表、接收端功率检测模块、接收端dsp芯片和接收端驱动电路；
34.所述接收端电流表的一端与高频整流器的上输出端连接，接收端电流表的另一端与负载的一端连接；所述负载的另一端与高频整流器的下输出端连接；
35.所述接收端电压表并联至高频整流器的输出端；
36.所述接收端功率检测模块与接收端电压表、接收端电流表、接收端dsp芯片均连接；
37.所述接收端dsp芯片与接收端驱动电路连接；
38.所述接收端驱动电路与接收端补偿网络的一端连接；
39.所述接收端电流表用于：采集输出电流；
40.所述接收端电压表用于：采集输出电压；
41.所述接收端功率检测模块用于：根据输出电压和输出电流信息，计算有功功率；
42.所述接收端dsp芯片用于：根据接收端功率检测模块计算的有功功率，按照切换策略，通过接收端驱动电路控制接收端补偿网络，将合适的电容接入电路。
43.在上述技术方案的基础上，所述发射端补偿网络包括：n个电容器c
t1
、c
t2
、c
t3
,
…
,c
tn
和n
‑
1个双向开关s
t1
、s
t2
、s
t3
,
…
,s
t(n
‑
1)
；
44.所述n
‑
1个双向开关s
t1
、s
t2
、s
t3
,
…
,s
t(n
‑
1)
的一端均与发射端驱动电路连接；
45.所述n
‑
1个双向开关s
t1
、s
t2
、s
t3
,
…
,s
t(n
‑
1)
的另一端分别与n
‑
1个个电容器c
t2
、c
t3
,
…
,c
tn
串联连接；
46.所述电容器c
t1
的一端与发射端驱动电路连接，电容器c
t1
的另一端与发射线圈的一端连接。
47.在上述技术方案的基础上，所述接收端补偿网络包括：n个电容器c
r1
、c
r2
、c
r3
,
…
,c
rn
和n
‑
1个双向开关s
r1
、s
r2
、s
r3
,
…
,s
r(n
‑
1)
；
48.所述n
‑
1个双向开关s
r1
、s
r2
、s
r3
,
…
,s
r(n
‑
1)
的一端均与接收端驱动电路连接；
49.所述n
‑
1个双向开关s
r1
、s
r2
、s
r3
,
…
,s
r(n
‑
1)
的另一端分别与n
‑
1个个电容器c
r2
、c
r3
,
…
,c
rn
串联连接；
50.所述电容器c
r1
的一端与接收端驱动电路连接，电容器c
r1
的另一端与接收线圈的一端连接。
51.发射端电容切换控制机构分别采集输入电压和输入电流信息，然后计算有功功率，并按照切换策略控制发射端补偿网络中n
‑
1个双向开关s
t1
、s
t2
、s
t3
,
…
,s
t(n
‑
1)
的开断，将合适的电容接入电路；
52.接收端电容切换控制机构分别采集输出电压和输出电流信息，然后计算有功功率，并按照切换策略控制接收端补偿网络中n
‑
1个双向开关s
r1
、s
r2
、s
r3
,
…
,s
r(n
‑
1)
的开断，将合适的电容接入电路。
53.在上述技术方案的基础上，所述发射端补偿网络中的n个电容器c
t1
、c
t2
、c
t3
,
…
,c
tn
的电容值和接收端补偿网络中的n个电容器c
r1
、c
r2
、c
r3
,
…
,c
rn
的电容值，按照如下步骤确定：
54.s1、通过实际测量，得到无线充电系统最大偏移范围内互感变化的范围m
min
～m
max
，在该互感范围内均匀取n个互感值m1、m2,
…
,m
n
，如公式(1)所示，
55.m1＝m
max
[0056][0057]
[0058]
......
[0059][0060]
s2、对任意一个互感m
i
，其中i＝1～n，确定原边补偿电容值c
pi
与副边补偿电容c
si
，通过求解非线性规划问题得到c
pi
与c
si
的具体值，如式(2)所示，
[0061][0062]
其中，i
p
(c
pi
,c
si
)为原边电流(简记为i
p
)、i
s
(c
pi
,c
si
)为副边电流(简记为i
s
)、p
out
(c
pi
,c
si
)为输出功率(简记为p
out
)、η(c
pi
,c
si
)为效率η，p
out,set
为额定输出功率，i
n
为线圈额定电流(由于原副边线圈的用线相同，所以原边线圈的额定电流与副边线圈的额定电流相同，均为线圈额定电流i
n
)，i
p
(c
pi
,c
si
)按照公式(3)确定，为的有效值，i
s
(c
pi
,c
si
)按照公式(4)确定，为的有效值，p
out
(c
pi
,c
si
)按照公式(5)确定，η(c
pi
,c
si
)按照公式(6)确定，
[0063][0064][0065][0066][0067]
其中，为原边电流相量、为副边电流相量、u
p
为原边电源电压、为原边电源电压相量、r
p
为原边线圈内阻、ω为直流电源正常工作时的角频率、l
p
为原边线圈电感、r
s
为副边线圈内阻、l
s
为副边线圈电感、r为负载等效电阻、p
p
(c
pi
,c
si
)为原边输入有功功率；
[0068]
s3、为减少发射端补偿网络和接收端补偿网络所用电容的数量，分别通过n组电容器的组合得到发射端补偿网络和接收端补偿网络的电容值，发射端补偿网络中的n个电容器c
t1
、c
t2
、c
t3
,
…
,c
tn
的电容值和接收端补偿网络中的n个电容器c
r1
、c
r2
、c
r3
,
…
,c
rn
的电容值的具体取值按照式(7)确定，
[0069]
c
t1
＝c
p1
,c
r1
＝c
s1
[0070]
c
t2
＝c
p2
‑
c
t1
,c
r2
＝c
s2
‑
c
r1
[0071]
c
t3
＝c
p3
‑
c
t2
,c
r3
＝c
s3
‑
c
r2
ꢀꢀꢀ
(7)。
[0072]
......
[0073]
c
tn
＝c
pn
‑
c
t(n
‑
1)
,c
rn
＝c
sn
‑
c
r(n
‑
1)
[0074]
在上述技术方案的基础上，所述n
‑
1个双向开关s
t1
、s
t2
、s
t3
,
…
,s
t(n
‑
1)
和n
‑
1个双向开关s
r1
、s
r2
、s
r3
,
…
,s
r(n
‑
1)
均为两只功率开关管反向串联。
[0075]
无线充电系统启动时，在不同偏移状态下通过接入合适的电容以保证传输功率偏差满足设计要求。
[0076]
一种补偿电容可切换的无线电能传输装置的切换控制方法，应用上述补偿电容可切换的无线电能传输装置，包括以下步骤：
[0077]
1)由于电容c
t1
和c
r1
为互感最大时对应的电容参数，将c
t1
和c
r1
作为初始电容默认接入电路；
[0078]
2)原边输入端加额定电压，发射端电压表和发射端电流表将发射端的输入电流和输入电压传送给发射端功率检测模块；接收端电压表和接收端电流表将接收端的输出电流和输出电压传送给接收端功率检测模块，令m＝1；
[0079]
3)发射端功率检测模块将发射端的输入电流和输入电压传送给发射端dsp芯片，发射端dsp芯片中的控制器同时开始计时，在δt时间之后，计算传输功率是否满足输出功率要求；
[0080]
接收端功率检测模块将接收端的输出电流和输出电压传送给接收端dsp芯片，接收端dsp芯片中的控制器同时开始计时，在δt时间之后，计算输出功率是否满足要求；
[0081]
4)如果输出功率满足要求，则目前电容配置满足要求，停止电容切换过程；
[0082]
如果输出功率不满足要求，则闭合双向开关s
tm
和s
rm
，m＝m+1，返回第3)步；
[0083]
其中，1≤m<m+1≤n
‑
1。
[0084]
前述补偿电容可切换的无线电能传输装置在电动汽车无线充电中的应用。
[0085]
前述补偿电容可切换的无线电能传输装置的切换控制方法在电动汽车无线充电中的应用。
[0086]
本发明的有益技术效果如下：
[0087]
本发明由于采用上述技术方案，其具有优点如下：可以在耦合器不同偏移导致的互感条件下，根据额定输出功率要求切换至最佳电容配置，以保证输出功率偏差满足要求；电容切换过程中，发射端与接收端中的电容切换控制器(即电容切换控制机构)分别采集电压和电流信号，并计算有功功率大小，并控制电容器切换，实现了分别闭环控制，避免了发射端与接收端之间闭环控制所需的通信要求，其控制简单、方便、可靠。
附图说明
[0088]
本发明有如下附图：
[0089]
图1是本发明一种补偿电容可切换的无线电能传输装置的电路结构示意框图；
[0090]
图2是本发明一种补偿电容可切换的无线电能传输装置的等效电路示意图；
[0091]
图3是本发明所述补偿电容可切换的无线电能传输装置在所选取不同电容配置下的输出功率与水平偏移量的关系示意图；
[0092]
图4是本发明所述补偿电容可切换的无线电能传输装置在采取电容切换策略后的输出功率与水平偏移量的关系示意图。
具体实施方式
[0093]
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
[0094]
如图1所示，为本发明中一种补偿电容可切换的无线电能传输装置，包括：发射端和接收端；发射端包括：直流电源、高频逆变器、发射线圈、发射端补偿网络和发射端电容切换控制机构；接收端包括：接收线圈、接收端补偿网络、高频整流器和接收端电容切换控制机构。
[0095]
所述发射端补偿网络与接收端补偿网络都为串联补偿，且都包括n个并联的电容器，通过双向开关连接，其中所述双向开关为两只功率开关管反向串联；发射端电容切换控制机构采集输入电压和输入电流信息，然后计算有功功率，并按照切换策略控制发射端补偿网络中双向开关管的开断，将合适的电容接入电路；
[0096]
接收端电容切换控制机构采集输出电压和输出电流信息，然后计算有功功率，并按照切换策略控制接收端补偿网络中双向开关管的开断，将合适的电容接入电路。
[0097]
图2为本发明中一种补偿电容可切换的无线电能传输装置的等效电路示意图，为简化分析，不考虑电容组的开关状态，以cp、cs分别代表原副边中使用的电容参数，将直流电源与高频逆变器等效为高频电压源用up代表，高频整流器与负载等效为负载电阻r，输出电压用us代表。
[0098]
所述原副边补偿网络中n个电容值(即发射端补偿网络中的n个电容器c
t1
、c
t2
、c
t3
,
…
,c
tn
的电容值和接收端补偿网络中的n个电容器c
r1
、c
r2
、c
r3
,
…
,c
rn
的电容值)的确定按照如下步骤进行：
[0099]
1)通过实际测量，得到无线充电系统最大偏移范围内互感变化的范围m
min
～m
max
，在该互感范围内均匀取n个互感值m1、m2……
m
n
，如公式(1)所示。
[0100]
m1＝m
max
[0101][0102][0103]
......
[0104][0105]
2)对任意一个互感m
i
，其中i＝1～n，可以确定原边补偿电容值c
pi
与副边补偿电容c
si
，通过求解下面的非线性规划问题得到c
pi
与c
si
的具体值：
[0106][0107]
其中，i
p
(c
pi
,c
si
)为原边电流、i
s
(c
pi
,c
si
)为副边电流、p
out
(c
pi
,c
si
)为输出功率、η(c
pi
,c
si
)为效率，按照以下公式确定：
[0108][0109][0110][0111][0112]
3)为减少发射端补偿网络和接收端补偿网络所用电容的数量，分别通过n组电容器的组合得到发射端补偿网络和接收端补偿网络的电容值，具体取值按照如下公式确定：
[0113]
c
t1
＝c
p1
,c
r1
＝c
s1
[0114]
c
t2
＝c
p2
‑
c
t1
,c
r2
＝c
s2
‑
c
r1
[0115]
c
t3
＝c
p3
‑
c
t2
,c
r3
＝c
s3
‑
c
r2
ꢀꢀꢀ
(7)
[0116]
......
[0117]
c
tn
＝c
pn
‑
c
t(n
‑
1)
,c
rn
＝c
sn
‑
c
r(n
‑
1)
[0118]
下面以表1中的磁耦合器(即无线电能传输装置)参数为例按照上述方法求取所需电容值，将p
out,set
设置为3kw，将互感参数m
i
设置为未偏移、偏移100mm、150mm、200mm和250mm处的互感参数m1、m2、m3、m4、m5，即n＝5，分别对5个互感参数按照上述方法求取电容参数c
pi
(i＝1～n)与c
si
。分别使用该5组电容配置时，输出功率随水平偏移距离的变化情况与未进行优化时输出功率随偏移变化的对比情况如图3所示。使用不同偏移处优化的电容可以保证输出功率在对应的该偏移位置附近保持在3kw左右，而且优化位置偏移越大对应的输出功率和效率曲线越接近谐振情况下的曲线。因此在偏移较大时，可以将电容值切换至在偏移处优化的电容值，根据偏移位置的不同在五组电容中合理选择，最终使输出功率在较大偏移范围内维持在3kw附近，且效率不会下降太大。
[0119]
表1磁耦合器参数
[0120][0121]
其中，f为频率，f＝ω/2π；k为耦合系数；m
ps
为原副边线圈间互感；c
prs
为原边谐振电容；c
srs
为副边谐振电容。
[0122]
所述一种补偿电容可切换的无线电能传输装置的电容切换的控制方法，无线充电系统启动时，在不同偏移状态下通过接入合适的电容以保证传输功率偏差满足设计要求，无线充电系统启动中具体控制过程如下：
[0123]
(1)由于电容c
t1
和c
r1
为互感最大时对应的电容参数，将其作为初始电容默认接入
电路；
[0124]
(2)原边输入端加额定电压，发射端电压表和发射端电流表将发射端的输入电流和输入电压传送给发射端功率检测模块；接收端电压表和接收端电流表将接收端的输出电流和输出电压传送给接收端功率检测模块，令m＝1；
[0125]
(3)发射端功率检测模块将发射端的输入电流和输入电压传送给发射端dsp芯片，发射端dsp芯片中的控制器同时开始计时，在δt时间之后，计算传输功率是否满足输出功率要求；
[0126]
接收端功率检测模块将接收端的输出电流和输出电压传送给接收端dsp芯片，接收端dsp芯片中的控制器同时开始计时，在δt时间之后，计算输出功率是否满足要求；
[0127]
(4)如果输出功率满足要求，则目前电容配置满足要求，停止电容切换过程；
[0128]
如果输出功率不满足要求，则闭合双向开关s
tm
和s
rm
，m＝m+1，返回第(3)步；其中，1≤m<m+1≤n
‑
1。
[0129]
图4为采用上述电容切换策略在系统时自动将电容参数切换至最佳值时输出功率随偏移量的变化情况，相较于采用传统电容固定的串联补偿方式，不同偏移条件下输出功率维持在所设定的3kw附近，反映了本发明中所设计的补偿电容可切换的无线电能传输装置在维持偏移条件下，输出功率稳定的有效性。
[0130]
显然，本发明上述实施例的原理阐述仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里没有对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
[0131]
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。