CN106532987A - 一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法，其步骤包括：搭建电路系统、确定系统参数、测量初级侧补偿电容两端电压值和相角，根据补偿电容两端电压值和相角，确定负载个数和负载大小。整个系统包括直流源、高频逆变电路、初级侧补偿电路、次级侧补偿电路和负载。初级侧补偿电路为补偿电容并联发射线圈再串联补偿电感组成，次级侧补偿电路为并联谐振电路；电路系统参数包括U_S,L_S,C_p,L_p,R_p,L_r,C_r,R_i,M₁和ω。其显著效果是：系统的设计成本低，检测误差小，在系统初级侧与次级侧之间没有通信模块的基础上，实现了系统能在初级侧识别出次级侧负载个数n和负载大小R_L，方面了系统在初级侧对整个系统运行状态的管理。

Description

一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其是一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法。

背景技术

无线电能传输技术以其友好，便利的用户体验，在国内的工业应用替代技术上，逐渐成为不可分割的一部分。相比之下，传统的电缆输电呈现出越来越多的弊端，特别是在深海、煤矿、化工等特殊领域，火花、输电线路的铺设及维修困难等一系列问题都不可被避免。目前，无线电能传输技术已经在诸多领域中有了较为成熟的应用

随着无线能量传输技术的发展，多负载无线能量传输系统，即单能量发射端和多能量接收端系统可满足对多个负载充电的需求。往往，在多负载无线电能传输系统中，需要在发射侧与接收侧之间建立额外的通信系统才能将负载的状态信息实时地传递给发射端。这不仅仅增加了系统设计上的复杂程度，同时还需要在系统的接收侧为通信模块设计电源，由于能量是由高频交流电整流后为通信模块提供，这就降低了通信模块供电的可靠性。

由于无线电能传输系统依据它的拓扑特性，可以实时地将多负载状态以能量的形式反馈给发射侧，这就将大大方便系统在发射侧对负载状态的检测。

发明内容

发明目的：为了克服上述缺点，本发明提供了一种多负载无线电能传输系统及其负载识别方法，在不使用无线通信模块的基础上，通过测量补偿电容上的电压就可以实现负载大小和负载个数的识别。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明还提出一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法，包括步骤：

(1)搭建多负载无线电能传输系统；其发射端包括：直流源、高频逆变电路和初级侧补偿电路；接收端包括一组接收单元，每个接收单元由一个次级侧补偿电路和该次级侧补偿电路上连接的负载组成；

高频逆变电路直流源输出的直流电压转换为高频交流电压并输出给初级侧补偿电路，作为初级侧补偿电路的驱动电压；

初级侧补偿电路包括：初级侧补偿电容、发射线圈和补偿电感；补偿电容并联发射线圈形成一并联支路，该并联支路串联补偿电感；

次级侧补偿电路为由接收线圈和次级侧补偿电容组成的并联谐振回路；接收端的每个接收单元通过接收线圈与发射线圈耦合接收发射端输出的能量。

(2)确定所述多负载无线电能传输系统的参数，包括高频交流电压为U_S，初级侧补偿电感为L_S，初阶侧补偿电容为C_p，发射线圈电感为L_p，发射线圈内阻为R_p；第i个接收单元的接收线圈电感为L_i、次级侧补偿电容为C_i、接收线圈内阻为R_i；发射线圈和第i个接收线圈之间的互感为M_ti；系统的谐振角频率为ω；其中L_i＝L_r，C_i＝C_r，M_ti＝M₁；各接收单元的负载值相同，均为R_L，系统中负载个数为n，R_L和n大小均未知；

(3)采集初级侧补偿电容两端电压向量和高频逆变电路输出端的高频交流电压向量得到的有效值为U_Cp；测量得到U_Cp和的相角差为θ；

(4)根据步骤(2)确定的多负载无线电能传输系统的参数和步骤(3)得到的U_Cp、和θ，计算得到：

进一步的，所述高频逆变电路为由4个开关管组成的全桥逆变电路。

本发明的有益效果是：依据无线电能传输系统某一拓扑特性，在不使用无线通信模块的基础上，通过测量补偿电容上的电压就可以实现负载大小和负载个数的识别，这就将大大方便系统在发射侧对负载状态的检测和简化了系统控制。

附图说明

图1是本发明所述多负载无线电能传输系统电路框图；

图2是本发明所述多负载无线电能传输系统电路原理图。

图中：1、直流源，2、高频逆变电路，3、初级侧补偿电路，4、次级侧补偿电路，5、负载，6、鉴相器，7、电压采集模块，8、微处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理进一步详细说明。

本发明提供的技术方案包括以下步骤：

步骤1：搭建如图1所示的多负载无线电能传输系统电路，所述电路系统包括直流电源1、高频逆变电路2、初级侧补偿电路3、次级侧补偿电路4和负载5。在初级侧补偿电路中，鉴相器6和电压采集模块7与初级侧补偿电路中电容的两端相连，鉴相器6和电压采集模块7的输出端和微处理器8的输入端连接。

图2所示为所述多负载无线电能传输系统电路原理图，所述高频逆变电路2为开关S1、S2、S3、S4组成的全桥逆变电路，所述初级侧补偿电路3为补偿电容Cp并联Lp再串联补偿电感Ls所组成，所述次级侧补偿电路由接收线圈和次级侧补偿电容组成的并联谐振回路。

步骤2：确定系统参数，所述系统参数包括高频交流电压值U_S，初级侧补偿电感值Ls，初阶侧补偿电容C_p，发射线圈电感L_p，发射线圈内阻R_p，各个接收模块的接收线圈电感L_i，补偿电容C_i，接收线圈内阻R_i，发射线圈和各接收线圈之间的互感M_ti和系统的谐振角频率ω。其中L_i＝L_r，C_i＝C_r M_ti＝M₁。各个负载的值相同，均为R_L，系统中负载个数为n。R_L和n大小均未知。

步骤3：利用鉴相器6和电压采集模块7处理从初级侧补偿电路获取补偿电容C_p两端的电压相量分别得到补偿电容C_p两端的电压的有效值U_Cp和与高频交流电源之间的相角差θ。

步骤4：微处理器8根据确定了系统中所包含的负载个数。同时根据确定了各个负载值R_L。

下面我们对本发明的工作原理进行说明：

在所述系统中，由于系统初级侧电路选用发射线圈Lp与补偿电容Cp并联后再串联补偿电感L_S的连接方式，且接收模块是以数个jωM_tiI_i(i＝1，2，...，n)的受控电压源叠加的形式等效到发射线圈Lp所在的支路上。因此，即使系统中接收模块数量和负载大小变化时，流过接收线圈的电流I_i始终不变，同时流过发射线圈L_p的电流I_p也不变，那么补偿电容C_p两端的电压会线性增加，通过计算得补偿电容C_p两端电压为：

式中，

很明显，接收模块个数n与接收负载大小R_L对补偿电容电压U_Cp实部和虚部的影响是可以被分离出的。电容两端电压的实部随着接收模块数量的变化而变化，而电容两端电压的虚部则能够反映每个接收模块负载R_L的大小之和。

由于接收模块数量n为正整数，为了实现精确计算，我们还需要考虑内阻的影响，并且给出保证计算精确的条件，得出接收模块数量n的精确计算公式。

其中Δ₁＞0。可以看出，由于收发线圈存在内阻，影响了系统对某一时刻接收模块个数n的判断。为了能准确地通过实轴来反应接收模块的个数，Δ₁应小于1，即

那么系统中接收模块个数为

结合补偿电容Ucp在虚轴上的分量得每个接收模块上负载R_L的大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法，其特征在于包括步骤：

(1)搭建多负载无线电能传输系统；所述多负载无线电能传输系统的发射端包括：直流源、高频逆变电路和初级侧补偿电路；接收端包括一组接收单元，每个接收单元由一个次级侧补偿电路和该次级侧补偿电路上连接的负载组成；

高频逆变电路直流源输出的直流电压转换为高频交流电压并输出给初级侧补偿电路，作为初级侧补偿电路的驱动电压；

初级侧补偿电路包括：初级侧补偿电容、发射线圈和补偿电感；补偿电容并联发射线圈形成一并联支路，该并联支路串联补偿电感；

次级侧补偿电路为由接收线圈和次级侧补偿电容组成的并联谐振回路；接收端的每个接收单元通过接收线圈与发射线圈耦合接收发射端输出的能量。

(2)确定所述多负载无线电能传输系统的参数，包括高频交流电压为U_S，初级侧补偿电感为L_S，初阶侧补偿电容为C_p，发射线圈电感为L_p，发射线圈内阻为R_p；第i个接收单元的接收线圈电感为L_i、次级侧补偿电容为C_i、接收线圈内阻为R_i；发射线圈和第i个接收线圈之间的互感为M_ti；系统的谐振角频率为ω；其中L_i＝L_r，C_i＝C_r，M_ti＝M₁；各接收单元的负载值相同，均为R_L，系统中负载个数为n，R_L和n大小均未知；

(3)采集初级侧补偿电容两端电压向量和高频逆变电路输出端的高频交流电压向量得到的有效值为U_Cp；测量得到U_Cp和的相角差为θ；

(4)根据步骤(2)确定的多负载无线电能传输系统的参数和步骤(3)得到的U_Cp、和θ，计算得到：

$n=INT\left(\frac{L_p/L_s-U_{cp}cos\mathrm{\θ}/U_s}{M_1^2/\left(L_s{L}_r\right)}\right)+1$

$R_L=\frac{{\mathrm{\ωL}}_s{L}_r^2}{{\mathrm{nM}}_1^2}\left(\right|\frac{U_{cp}sin\mathrm{\θ}}{U_s}|-\frac{R_p}{{\mathrm{\ωL}}_s})$

式中，R_p表示发射线圈内阻。

2.根据权利要求1所述的一种关于多负载无线电能传输系统的负载识别方法，其特征在于，所述高频逆变电路为由4个开关管组成的全桥逆变电路。