一種寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法，特別是一種寬范圍功率可調(diào)無 線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年，隨著無線電能傳輸技術(shù)理論研究的不斷深入，越來越多的團(tuán)隊(duì)開始加入到 這個(gè)大家庭中來。無線電能傳輸起源于十九世紀(jì)末期，首先由尼古拉?特斯拉提出，鑒于其 所具有的安全、便利、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，以及可以解決某些特定場(chǎng)合的應(yīng)用問題，而 進(jìn)入人們的視線，成為了當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0003] 無線電能傳輸系統(tǒng)主要分為電磁感應(yīng)耦合式、磁共振耦合式、微波輻射式三種，其 中，電磁感應(yīng)耦合式電能傳輸系統(tǒng)由于其效率較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單得到廣泛研究和應(yīng)用。電磁感 應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)利用原邊發(fā)射線圈中通入高頻交流電能產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，副邊拾 取線圈通過電磁耦合方式從高頻磁場(chǎng)中獲取電能，實(shí)現(xiàn)原邊機(jī)構(gòu)到副邊機(jī)構(gòu)的物理隔離。
[0004] 目前電磁感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)都是利用高頻逆變裝置將直流電逆變成 高頻交流方波，然后通過設(shè)計(jì)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)選取高頻交流方波中的高頻正弦基波，從而產(chǎn) 生高頻磁場(chǎng)。但是，在滿足狄里赫利條件下，任意周期信號(hào)都可以展開成傅里葉級(jí)數(shù)，所以 在逆變所產(chǎn)生的高頻交流方波中存在豐富的諧波資源，而面對(duì)這些諧波，我們通常采取濾 除的方式去解決它們，這無疑降低了電源能量的利用率。
[0005] 在無線電能傳輸系統(tǒng)功率方面，文獻(xiàn)《無線電能傳輸系統(tǒng)能量建模及其應(yīng)用》提出 了一種原邊能量注入式電磁感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)輸出功率控制策略，該控制模式 基于能量守恒原理，在等效負(fù)載理論與電磁感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)反射阻抗計(jì)算的 基礎(chǔ)上，通過對(duì)逆變器輸出功率與給定參考量的對(duì)比實(shí)現(xiàn)任意補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞碾姶鸥袘?yīng)耦 合式無線電能傳輸系統(tǒng)輸出功率控制。文獻(xiàn)《非接觸供電移相控制系統(tǒng)建模研究》描述了電 流型無接觸供電系統(tǒng)的一種移相控制策略，通過調(diào)整全橋逆變器橋臂直通時(shí)間控制傳輸功 率。但這些功率調(diào)節(jié)方法中，往往要加入復(fù)雜的控制電路并配置相應(yīng)算法，需要從原邊機(jī)構(gòu) 進(jìn)行功率控制，而負(fù)載被連接在副邊機(jī)構(gòu)中，由于電磁感應(yīng)親合式無線電能傳輸系統(tǒng)原、副 邊機(jī)構(gòu)的物理隔離，這使得副邊機(jī)構(gòu)負(fù)載所需要的輸出功率信息很難傳輸?shù)皆厵C(jī)構(gòu)中。 而且這些功率調(diào)節(jié)方法中，都是利用基波進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，而沒有過從諧波利用的角度去考 慮系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的想法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是要提供一種寬范圍功率可調(diào)無線電能傳輸系統(tǒng)及其控制方法，解 決現(xiàn)有技術(shù)中副邊機(jī)構(gòu)負(fù)載所需要的輸出功率信息很難傳輸?shù)皆厵C(jī)構(gòu)中的問題，充分利 用諧波能量，通過改變基波能量通路和諧波能量通路雙通路無線電能傳輸系統(tǒng)的工作模 式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)輸出功率的目的。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：無線電能傳輸系統(tǒng)包括:直流電源、高頻逆變單元、 基波能量通路、諧波能量通路、整流濾波單元、負(fù)載、原邊控制單元和副邊控制單元;直流電 源為高頻逆變單元供電，原邊控制單元為高頻逆變單元的控制器;高頻逆變單元的輸出端 同時(shí)與基波能量通路的輸入端和諧波能量通路的輸入端連接，基波能量通路的輸出端和諧 波能量通路的輸出端分別與二個(gè)整流濾波單元輸入端連接，整流濾波單元的輸出端與負(fù)載 連接，負(fù)載的反饋信號(hào)與副邊控制單元連接。
[0008] 所述的高頻逆變單元:選用全橋逆變電路，基波能量通路與諧波能量通路并聯(lián)連 接在高頻逆變單元的輸出端。
[0009] 所述的基波能量通路：由基波能量發(fā)射線圈電感并聯(lián)基波原邊補(bǔ)償電容后串聯(lián)基 波原邊補(bǔ)償電感組成LCL諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，基波能量拾取線圈電感串聯(lián)基波副邊補(bǔ)償電容后 再串聯(lián)一個(gè)基波雙向開關(guān)組成，基波能量發(fā)射線圈電感與基波能量拾取線圈電感采用松耦 合磁路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物理隔離；其中基波能量發(fā)射線圈電感與基波原邊補(bǔ)償電感的電感值相 等，在系統(tǒng)基波工作角頻率ω處，基波能量發(fā)射線圈電感與基波原邊補(bǔ)償電容滿足諧振關(guān) 系，基波能量拾取線圈電感與基波副邊補(bǔ)償電容滿足諧振關(guān)系，保證基波能量發(fā)射線圈電 感上恒流。
[0010] 所述的諧波能量通路：由諧波能量發(fā)射線圈電感并聯(lián)諧波原邊補(bǔ)償電容后串聯(lián)諧 波原邊補(bǔ)償電感組成LCL諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，諧波能量拾取線圈電感串聯(lián)諧波副邊補(bǔ)償電容后 再串聯(lián)一個(gè)諧波雙向開關(guān)組成，諧波能量發(fā)射線圈電感與諧波能量拾取線圈電感采用松耦 合磁路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)物理隔離；其中諧波能量發(fā)射線圈電感與諧波原邊補(bǔ)償電感的電感值相 等，在系統(tǒng)η次諧波工作角頻率η ω處，η = 3,5,7,9,……，諧波能量發(fā)射線圈電感與諧波原 邊補(bǔ)償電容滿足諧振關(guān)系，諧波能量拾取線圈電感與諧波副邊補(bǔ)償電容滿足諧振關(guān)系，保 證諧波能量發(fā)射線圈電感上恒流。
[0011]所述的整流濾波單元:包括二極管〇11、〇12、〇 13、〇14組成不可控整流電路后并聯(lián)濾波 電容&形成基波整流濾波電路，連接在基波能量通路3輸出端;二極管021、022、0 23、024組成不 可控整流電路后并聯(lián)濾波電容(：2形成諧波整流濾波電路，連接在諧波能量通路輸出端;然 后，基波整流濾波電路與諧波整流濾波電路串聯(lián)后組成整流濾波單元，為負(fù)載供電。
[0012] 所述的原邊控制單元：由原邊控制器DSP23和原邊驅(qū)動(dòng)電路組成；原邊控制器 DSP23的輸出端與原邊驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，原邊驅(qū)動(dòng)電路的輸出端對(duì)高頻逆變單元實(shí) 施控制。
[0013]所述的副邊控制單元：由功率檢測(cè)電路、控制器DSP26和副邊驅(qū)動(dòng)電路組成； 功率檢測(cè)電路的輸出端與副邊控制器DSP26的輸入端連接，副邊控制器DSP26的輸出端與副 邊驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接，副邊驅(qū)動(dòng)電路的輸出端對(duì)基波雙向開關(guān)與諧波雙向開關(guān)實(shí)施控 制。
[0014] 所述的一種輸出功率可調(diào)節(jié)的無線電能傳輸系統(tǒng)的控制方法如下：
[0015] (1)當(dāng)基波雙向開關(guān)5:開通、諧波雙向開關(guān)52斷開時(shí)，無線電能傳輸系統(tǒng)工作于基 波通道能量獨(dú)立供電模式，系統(tǒng)輸出功率為Pi;當(dāng)基波雙向開關(guān)Si斷開、諧波雙向開關(guān)S2開 通時(shí)，無線電能傳輸系統(tǒng)工作于諧波能量通道獨(dú)立供電模式，系統(tǒng)輸出功率為P 2;當(dāng)基波雙 向開關(guān)S1與諧波雙向開*S2同時(shí)開通時(shí)，無線電能傳輸系統(tǒng)工作于基波能量通道與諧波能 量通道并行供電模式，系統(tǒng)輸出功率為P3 ;當(dāng)基波雙向開關(guān)Sl與諧波雙向開關(guān)S2同時(shí)關(guān)斷 時(shí)，無線電能傳輸系統(tǒng)中無能量通路工作，系統(tǒng)輸出功率為0;
[0016] (2)根據(jù)負(fù)載所需系統(tǒng)輸出功率要求的不同，通過控制基波雙向開關(guān)5:與諧波雙 向開關(guān)S2在周期T內(nèi)，基波雙向開關(guān)Si單獨(dú)開通時(shí)間Τι、諧波雙向開關(guān)S2單獨(dú)開通時(shí)間T2、基 波雙向開關(guān)3:與諧波雙向開關(guān)S2同時(shí)開通時(shí)間T3以及基波雙向開關(guān)5:與諧波雙向開關(guān)S 2同 時(shí)關(guān)斷時(shí)間To的長(zhǎng)短，來控制系統(tǒng)輸出功率P=(Pi*T1+P2*T 2+P3*T3+0*TQ)/T的大小，其中0< T0、T1、T2、T3 < T，To+Ti+h+Ts = T，且PXPKP3，使系統(tǒng)輸出功率0~P3寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)