一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提出了一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法，通過檢測兩組電壓源的實(shí)際輸出電壓、電流大小以及電流之間的相角差，計(jì)算出接收線圈與兩個(gè)發(fā)射線圈間的互感大小；根據(jù)輸出功率的計(jì)算公式確定能夠維持穩(wěn)定功率輸出的電壓組合，最后從這些組合中篩選出效率最高的一組作為實(shí)際的電源輸出。本方法實(shí)現(xiàn)了通過電源協(xié)同控制優(yōu)化輸出功率和傳輸效率，適用于對工作穩(wěn)定性和效率要求較高的移動(dòng)設(shè)備供電。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法
本專利技術(shù)屬于無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種雙源無線供電系統(tǒng)的控制方法。
技術(shù)介紹
當(dāng)下，磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)已經(jīng)在智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)施、軌道交通等領(lǐng)域引發(fā)了新一輪的變革，擺脫導(dǎo)線的束縛成為了大眾共同的期許。但磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中發(fā)射線圈與接收線圈之間是通過空氣為媒介進(jìn)行能量的傳輸，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，即負(fù)載端的信息無法及時(shí)反饋到電源側(cè)，那么在接收線圈位置發(fā)生變化時(shí)，如果電源無法做出相應(yīng)的調(diào)控措施，就無法控制負(fù)載的接收功率和系統(tǒng)的傳輸效率。一種可行的解決方案是采用無線通訊的方式進(jìn)行發(fā)射端與接收端之間的信息交互，但此種控制方法不僅增加了系統(tǒng)的控制難度，通訊裝置的可靠性也會(huì)受到工作環(huán)境的影響。另一方面，傳統(tǒng)的單源無線供電系統(tǒng)在供電自由度上受到了極大的限制，傳輸功率和效率會(huì)隨著收發(fā)線圈互感的減小而急劇下降。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)對傳輸功率和效率的實(shí)時(shí)控制。技術(shù)方案：一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法，所述雙源無線供電系統(tǒng)包括兩組可調(diào)電壓源、無線電能傳輸裝置，所述無線電能傳輸裝置包括兩個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈，所述接收線圈連接負(fù)載并位于兩個(gè)發(fā)射線圈之間，每個(gè)發(fā)射線圈連接一組可調(diào)電壓源；包括如下步驟：步驟1)，在線檢測所述兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓和電流，計(jì)算出所述接收線圈分別與兩個(gè)發(fā)射線圈的互感大小M1,M2，具體為：當(dāng)兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ≠0°時(shí)，當(dāng)兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ＝0°時(shí)，式中，E＝(Re(U1)-I1R1)I2+D2(Re(U2)-I2R2)I1其中，U1,U2,I1,I2分別為兩組可調(diào)電壓源輸出的電壓和電流值，分別為兩組可調(diào)電壓源各自輸出電壓與電流的相角差，R1,R2分別為兩個(gè)發(fā)射線圈的內(nèi)阻，ω為無線電能傳輸裝置工作頻率，Z3為接收線圈阻抗，D為I1和I2之間的幅值倍數(shù)；步驟2)，所述接收線圈輸出功率為根據(jù)負(fù)載所需功率P0的要求，得到滿足Pout＝P0時(shí)所述兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓組合；其中，RL為負(fù)載電阻；步驟3)，遍歷所述步驟2)得到的輸出電壓組合，計(jì)算不同輸出電壓組合下無線電能傳輸效率η，選出傳輸效率η最高的一組作為所述兩組可調(diào)電壓源的最優(yōu)輸出電壓；其中，所述無線電能傳輸效率η為：其中，Rs1,Rs2分別為兩組可調(diào)電壓源的內(nèi)阻，Pin為兩組可調(diào)電壓源輸出功率總和；步驟4)，根據(jù)所述步驟3)得到的兩組可調(diào)電壓源的最優(yōu)輸出電壓，對兩組可調(diào)電壓源進(jìn)行控制。有益效果：本專利技術(shù)的一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法，首先檢測兩組可調(diào)電壓源的實(shí)際輸出電壓、電流和電流相位差，算得到收發(fā)線圈間的互感系數(shù)；然后，根據(jù)負(fù)載大小和實(shí)際功率需求，對兩組可調(diào)電壓源進(jìn)行協(xié)同控制，同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的功率輸出和較高的傳輸效率的目的；最后，根據(jù)傳輸效率篩選出效率最高的一組作為實(shí)際的電源輸出。根據(jù)上述控制策略可以得到最優(yōu)的供電組合，使得負(fù)載獲得高效且穩(wěn)定的能量供給，拓寬了無線供電的范圍并實(shí)現(xiàn)了對傳輸功率和效率的實(shí)時(shí)控制，適用于對工作穩(wěn)定性和效率要求較高的移動(dòng)設(shè)備供電。附圖說明圖1為雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為雙源無線供電系統(tǒng)的等效電路圖；圖3為滿足雙源無線供電系統(tǒng)功率方程的電壓組合；圖4為不同位置處接收線圈的最優(yōu)供電組合；圖5為不同位置處接收線圈最優(yōu)供電組合所對應(yīng)的傳輸效率。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)做更進(jìn)一步的解釋。如圖1所示，雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法所基于的系統(tǒng)包括兩組可調(diào)電壓源、源端電壓電流檢測及互感計(jì)算模塊、電源協(xié)同控制模塊、無線電能傳輸裝置和負(fù)載。無線電能傳輸裝置包括兩個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈，接收線圈連接負(fù)載并位于兩個(gè)發(fā)射線圈之間，接收線圈的方向不受限制，每個(gè)發(fā)射線圈連接一組可調(diào)電壓源，雙無線電能傳輸裝置通過磁耦合諧振的方式實(shí)現(xiàn)。無線電能傳輸裝置的等效電路如圖2所示，其中M1為接收線圈Rx1與第一個(gè)發(fā)射線圈Tx1之間的互感，M2為接收線圈Rx1與第二個(gè)發(fā)射線圈Tx2之間的互感，M12為第一個(gè)發(fā)射線圈Tx1與第二個(gè)發(fā)射線圈Tx2之間的互感。本實(shí)施例中，兩組可調(diào)電壓源的內(nèi)阻Rs1＝Rs2＝50Ω，諧振頻率f＝480kHz；兩個(gè)發(fā)射線圈的參數(shù)完全相同，其線徑a1＝0.001m，線圈半徑r1＝0.15m，線圈匝數(shù)N1＝26，兩個(gè)發(fā)射線圈的內(nèi)阻分別為R1,R2，兩個(gè)發(fā)射線圈連接的電容分別為C1,C2，兩個(gè)發(fā)射線圈的電感分別為L1,L2；接收線圈的線徑a2＝0.001m，半徑r2＝0.037m，匝數(shù)N2＝44，接收線圈的內(nèi)阻為R3，接收線圈連接的電容為C3，接收線圈的電感為L3，接收線圈連接的負(fù)載電阻為RL。根據(jù)圖2，列出KVL方程：式中，U1,I1分別為第一組可調(diào)電壓源輸出的電壓和電流值，U2,I2分別為第二組可調(diào)電壓源輸出的電壓和電流值，ω為無線電能傳輸裝置工作頻率，Z1,Z2,Z3分別第一個(gè)發(fā)射線圈Tx1、第二個(gè)發(fā)射線圈Tx2以及接收線圈Rx1的阻抗，I3為接收線圈輸出電流值。其中，ω＝2πf，R1＝R2，C1＝C2，L1＝L2，Z1＝Rs1+R1+1/jωC1+jωL1，Z2＝Rs2+R2+1/jωC2+jωL2，Z3＝R3+RL+1/jωC3+jωL3。兩組可調(diào)電壓源各自輸出電壓與電流的相角差分別為兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ，則兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓表示為：其中，參數(shù)ω,Z3,R1,R2,C1,C2,L1,L2都是固定不變的，U1,U2,I1,I2,δ,M1,M2是隨接收線圈與兩個(gè)發(fā)射線圈相對距離變化而改變的，其中U1,U2,I1,I2,δ,通過源端電壓電流檢測及互感計(jì)算模塊測得，因而對于每一組M1,M2都是可以求解的。通過發(fā)射源之間的交互測出I1和I2幅值以及δ的關(guān)系，具體表示為：I2＝DI1∠δ其中，D為I1和I2之間的幅值倍數(shù)，由實(shí)際測量得到。將U1,U2的實(shí)部和虛部進(jìn)行分解得到：聯(lián)立上式，即可求得接收線圈與兩個(gè)發(fā)射線圈的互感M1,M2：當(dāng)δ≠0°時(shí)，當(dāng)δ＝0°時(shí)，式中，E＝(Re(U1)-I1R1)I2+D2(Re(U2)-I2R2)I1根據(jù)KVL方程得到兩組可調(diào)電壓源輸出功率總和Pin：接收線圈輸出功率表示為：式中，A＝Z1+ω2M12/Z3，C＝Z2+ω2M22/Z3，B＝ω2M1M2/Z3+jωM12。將得到的M1,M2代入接收線圈輸出功率Pout，得到：式中，代入得到：根據(jù)負(fù)載所需功率P0的要求，則滿足Pout＝P0時(shí)的兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓組合如圖3中的組合1-4所示。然后，電源協(xié)同控制模塊遍歷得到的輸出電壓組合，計(jì)算不同輸出電壓組合下無線電能傳輸效率η，選出傳輸效率η最高的一組作為兩組可調(diào)電壓源的最優(yōu)輸出電壓；其中，無線電能傳輸效率η為：其中，Rs1,Rs2分別為兩組可調(diào)電壓源的內(nèi)阻。需要說明的是本專利技術(shù)中涉及的符號(hào)Re(·)均表示對括號(hào)內(nèi)的復(fù)數(shù)取實(shí)部運(yùn)算，Im(·)均表示對括號(hào)內(nèi)的復(fù)數(shù)取虛部運(yùn)算，頂部帶·的參數(shù)符號(hào)表示去矢量運(yùn)算。最后，電源協(xié)同控制模塊根據(jù)得到的兩組可調(diào)電壓源的最優(yōu)輸出電壓，輸出控制信號(hào)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法，其特征在于：所述雙源無線供電系統(tǒng)包括兩組可調(diào)電壓源、無線電能傳輸裝置，所述無線電能傳輸裝置包括兩個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈，所述接收線圈連接負(fù)載并位于兩個(gè)發(fā)射線圈之間，每個(gè)發(fā)射線圈連接一組可調(diào)電壓源；包括如下步驟：步驟1)，在線檢測所述兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓和電流，計(jì)算出所述接收線圈分別與兩個(gè)發(fā)射線圈的互感大小M1,M2，具體為：當(dāng)兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ≠0°時(shí)，M1=Re(U1)+ωM12DI1/sinδ-R1I1-Im(U1)cotδI1ω2Z3M2=(Im(U1)I1-ωM12Dcosδ)Z3ω2M1Dsinδ]]>當(dāng)兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ＝0°時(shí)，M1=(Re(U1)-I1R1)2I2Z3/(I1ω2E)M2=D2(Re(U2)-I2R2)2I1Z3/(I2ω2E)]]>式中，E＝(Re(U1)?I1R1)I2+D2(Re(U2)?I2R2)I1其中，U1,U2,I1,I2分別為兩組可調(diào)電壓源輸出的電壓和電流值，分別為兩組可調(diào)電壓源各自輸出電壓與電流的相角差，R1,R2分別為兩個(gè)發(fā)射線圈的內(nèi)阻，ω為無線電能傳輸裝置工作頻率，Z3為接收線圈阻抗，D為I1和I2之間的幅值倍數(shù)；步驟2)，所述接收線圈輸出功率為根據(jù)負(fù)載所需功率P0的要求，得到滿足Pout＝P0時(shí)所述兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓組合；其中，RL為負(fù)載電阻；步驟3)，遍歷所述步驟2)得到的輸出電壓組合，計(jì)算不同輸出電壓組合下無線電能傳輸效率η，選出傳輸效率η最高的一組作為所述兩組可調(diào)電壓源的最優(yōu)輸出電壓；其中，所述無線電能傳輸效率η為：η=PoutPin=PoutRe(I·1(U·1-Rs1I·1))+Re(I·2(U·2-Rs2I·2))]]>其中，Rs1,Rs2分別為兩組可調(diào)電壓源的內(nèi)阻，Pin為兩組可調(diào)電壓源輸出功率總和；步驟4)，根據(jù)所述步驟3)得到的兩組可調(diào)電壓源的最優(yōu)輸出電壓，對兩組可調(diào)電壓源進(jìn)行控制。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種雙源無線供電系統(tǒng)參數(shù)在線檢測和電源協(xié)同控制方法，其特征在于：所述雙源無線供電系統(tǒng)包括兩組可調(diào)電壓源、無線電能傳輸裝置，所述無線電能傳輸裝置包括兩個(gè)發(fā)射線圈和一個(gè)接收線圈，所述接收線圈連接負(fù)載并位于兩個(gè)發(fā)射線圈之間，每個(gè)發(fā)射線圈連接一組可調(diào)電壓源；包括如下步驟：步驟1)，在線檢測所述兩組可調(diào)電壓源的輸出電壓和電流，計(jì)算出所述接收線圈分別與兩個(gè)發(fā)射線圈的互感大小M1,M2，具體為：當(dāng)兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ≠0°時(shí)，當(dāng)兩組可調(diào)電壓源輸出電流的相角差δ＝0°時(shí)，式中，E＝(Re(U1)-I1R1)I2+D2(Re(U2)-I2R2)I1其中，U1,U2,I1,I...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：譚林林，郭金鵬，劉瀚，黃學(xué)良，王維，顏長鑫，
申請(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32