CN107425610A - 基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统及控制方法。它包括发射侧线圈和接收侧线圈，发射侧还具有发射侧逆变器；发射侧逆变器连接无线感应线圈，发射侧逆变器和无线感应线圈之间输入原边补偿拓扑；接收侧线圈通过副边补偿拓扑连接整流器，整流器的后端有两个并联设置的直流变换器，整流器能够将感应到的交流电变为直流电并通过两个并联的直流变换器分别为超级电容和电池模块充电。采用上述结构和方法后，利用无线传输方式为并联储能系统进行供电模式，利用发射侧逆变器将直流电源变换为高频交流电，输入LCC‑S补偿拓扑；接收侧通过一个整流器，将感应到的交流电变为直流电，通过两个并联的Buck变换器分别为超级电容和电池模块充电。

Description

基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输技术，具体地说是一种基于并联能源 系统负载补偿的无线电能传输系统及控制方法。

背景技术

在大功率无线电能传输(Wireless power transfer,WPT)系统的应 用中，负载能源系统主要为单一电池或者超级电容储能设备可以通过无 线电能传输方式对其进行能量补充，其主要工作原理为：通过对牵引网 交流电整流得到直流电压，经过单项全桥逆变器变换成高频交流电，该 交流电输入发射侧线圈，产生交变的磁场。根据电磁感应原理，接收侧 线圈感应到交流电能，从而实现电能的非接触传输。为满足负载超级电 容或者电池的受电要求，感应得到的高频交流电能经过整流器整流得到 直流电，再通过直流变换器调节，从而对储能负载实现无线电能传输供 能。相比与常用的有线连接模式，大功率无线电能传输连接模式的效率 较低，因此通过系统设计和优化控制提高实际WPT系统的效率，是该技 术进一步被应用的关键。

现有技术中无线电能传输系统效率通常采用两种控制方法，一种是 如图1所示，利用两个控制器对两个可调节环节进行控制。首先，检测 负载电压和电流，如超级电容负载，根据系统参数计算最优效率工作点 对应的最优负载值R_eq-OPT，结合公式(9)和(10)，可得出接收侧控制器输 出的占空比：

然后将检测到的负载电流I_SC通过无线通讯的方式传输到发射侧控 制器，按照负载的供电要求，如超级电容需要恒流充电，对逆变器进行 移相角控制，从而实现供电要求。

通过上述分析可知，这种控制方法需要发射侧和接收侧进行无线通 讯，而通讯存在传输延迟、误码率等问题，实际应用中准确性和可靠性 较低。同时，该方法针对单一储能负载，对于并联能源系统的控制并未 进行设计。

另外一种方法如图2所示，利用发射侧逆变器和接收侧buck(或者其 他直流变换器)。利用发射侧控制器调节，满足负载供电要求。而接收 侧控制器不断调节系统输入功率，在系统输出功率短时间不变的情况 下，当系统输入功率最小，则实现了系统最优效率控制。其具体控制流 程如图3所示，假设在很短的时间内，接收侧接收功率为一定值，即输入负载功率P₀固定。不断改变发射侧逆变器的移相角，增大输入电压或 者减小输入电压，从而调整输入功率，比较当前时刻与上一时刻功率值， 进一步调节输入电压，直至输入功率P_in最小，即追踪到了最大效率点。

上述模式避免了接收侧和发射侧信号的无线通讯。但是需要一定时 间才能完成最优点的追踪，存在一定的时间误差，从而致使效率的最优 工作点存在一定的偏差，难以到达最优值。并且，由于采用动态追踪的 方法，存在追踪点错误的可能性，可靠性较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现无线传输输出阻抗 调节，系统高效率运行、可靠性高的基于并联能源系统负载补偿的无线 电能传输系统及控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明的基于并联能源系统负载补偿的无 线电能传输系统，包括位于发射侧的发射侧线圈和位于接收侧的接收侧 线圈，发射侧还具有用于将发射侧的直流电源变换为高频交流电的发射 侧逆变器；所述发射侧逆变器连接无线感应线圈，发射侧逆变器和无线 感应线圈之间输入原边补偿拓扑；接收侧线圈通过副边补偿拓扑连接整 流器，整流器的后端有两个并联设置的直流变换器，整流器能够将感应 到的交流电变为直流电并通过两个并联的直流变换器分别为超级电容 和电池模块充电。

所述原边补偿拓扑和副边补偿拓扑为LCC-S补偿拓扑。

所述LCC-S补偿拓扑电路包括依次串联设置的发射侧内阻R_L、补偿 电感L_r以及电容C_P，还包括发射侧的线圈电阻R_P，补偿电感L_r、电容 C_P之间的节点与线圈电阻R_P的前端之间连接补偿电容C_r，所述电容C_P和线圈电阻R_P之间连接线圈电感L_P，所述接收侧具有与线圈电感L_P互 感的接收侧线圈电感L_S以及与接收侧线圈电感L_S串联连接的补偿电容 C_S、电阻R_eq和线圈电阻R_s。

一种基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统的控制方法， 包括以下步骤：

A、使LCC-S补偿拓扑的接收侧补偿电容的选取满足串联谐振的条 件，即ω²L_SC_S＝1，对电路进行等效；等效后满足谐振条件时，其值表示 为如下所示：

B、根据诺顿等效定理，电压源与L_r、R_Lr串联的电路等效为电流源 与L_r、R_Lr并联电路，电流源输出电流大小为

由于R_Lr为谐振电感内阻，满足R_Lr<<ωLr，当式(3)成立时，一次侧 线圈电流即为等效电流源输出电流，近似满足I_P≈I_in′≈U_in/jωL_r；

从LCC型补偿拓扑输入端看整个电路应当呈现纯阻性，其输入阻抗 表示为

结合式(14)，上式可化简为

C、根据电路理论，当L_r、C_r、C_P、L_P组成的三端网络应当满足式(6) 时，输入阻抗实现零相角；

此时的输入阻抗可以表示为

根据上述谐振元件的取值规则，得出LCC-S谐振补偿拓扑的电压增 益为

忽略线圈以及谐振电感Lr内阻的情况下，谐振补偿拓扑的电压增益 可以简化为

由以上电压增益公式可知，在谐振频率时H_U可以近似为互感M与L_r的比值，当等效电阻R_eq变化时，输出电压U_out维持为准恒定状态；

D、将逆变器输出视作电压源，运用基波分析的电路理论，可以得到 无线电能传输系统的系统损耗P_t、输出功率P_out和传输效率η，如下所 示

根据电路拓扑形式，列出如下回路矩阵方程：

上式中，

当谐振角频率为ω₀且满足式(6)所示的谐振条件时，阻抗Z₁、Z₂、Z₃的模值均为零，结合上述谐振条件，解回路方程可以得到

其中，ξ＝R_Lr(ω₀M)²+(R_eq+R_S)[(ω₀L_r)²+R_LrR_P]

将上式中所得结果带入到效率表达式(10)，可以系统效率为

同样，也可以得到输出功率的表达式为

同样地，对于系统效率的最优控制，对效率表达式(13)关于负载R_eq求导，得到效率的偏导数表达式：

得到达到最大效率时的最优电阻工作点R_eq-OPT

当调节耦合线圈输出的等效负载R_eq的数值时，另其值为最优负载即 可保持系统效率为最优工作点，而R_eq的调节通过等效负载变换的方式；

E、在恒压输出的情况下，当系统工作最优负载工作点时，此时对应 的输出功率也是系统最优功率点，即

控制系统输出功率为系统功率的最优点，即可保证系统效率最优。

采用上述结构和方法后，利用无线传输方式为并联储能系统进行供 电模式，利用发射侧逆变器将直流电源变换为高频交流电，输入LCC-S 补偿拓扑；接收侧通过一个整流器，将感应到的交流电变为直流电，通 过两个并联的Buck变换器分别为超级电容和电池模块充电，利用并联 储能系统实现WPT系统的输出阻抗调节，解决了电池/超级电容混合储能系统的无线充电方案，实现了系统高效满功率运行。

附图说明

图1为现有技术中最优负载控制电路图；

图2为现有技术中最大效率追踪电路图；

图3为现有技术中最大效率追踪程序流程图；

图4为本发明的原理框图；

图5为本发明的电路图；

图6为本发明中LCC-S型补偿拓扑电路图；

图7为本发明中LCC-S型补偿拓扑等效电路图；

图8为本发明中LCC-S型补偿拓扑等效图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明的基于并联能源系统负载 补偿的无线电能传输系统及控制方法作进一步详细说明。

如图所示，本发明的基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系 统，包括位于发射侧的发射侧线圈和位于接收侧的接收侧线圈，发射侧 还具有用于将发射侧的直流电源变换为高频交流电的发射侧逆变器；发 射侧逆变器连接无线感应线圈，发射侧逆变器和无线感应线圈之间输入 原边补偿拓扑；接收侧线圈通过副边补偿拓扑连接整流器，整流器的后 端有两个并联设置的直流变换器，整流器能够将感应到的交流电变为直 流电并通过两个并联的直流变换器分别为超级电容和电池模块充电；具 体电路如图5所示，发射侧控制器开环输出逆变器驱动信号，接收侧控 制器根据测量的超级电容和电池的电压电流信号，计算处理分别闭环控 制两个双向DC/DC变换器(充电时相当于Buck电路)的开关器件。

其中，本实施例中，原边补偿拓扑和副边补偿拓扑为LCC-S补偿拓 扑；U_in/I_in为发射侧输入电压，L_r/R_Lr为发射侧串联补偿电感及其内阻， C_r/C_P为发射侧并联/串联补偿电容，R_P(R_s)、L_P(L_S)发射侧(接收侧) 线圈电阻和电感，C_S为接收侧串联补偿电容，M是互感，具体的结构为： LCC-S补偿拓扑电路包括依次串联设置的发射侧内阻R_L、补偿电感L_r以 及电容C_P，还包括发射侧的线圈电阻R_P，补偿电感L_r、电容C_P之间的 节点与线圈电阻R_P的前端之间连接补偿电容C_r，所述电容C_P和线圈电 阻R_P之间连接线圈电感L_P，所述接收侧具有与线圈电感L_P互感的接收 侧线圈电感L_S以及与接收侧线圈电感L_S串联连接的补偿电容C_S、电阻R_eq和线圈电阻R_s。

一种基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统的控制方法， 包括以下步骤：

A、使LCC-S补偿拓扑的接收侧补偿电容的选取满足串联谐振的条 件，即ω²L_SC_S＝1，于是图5所示电路可以等效为图7(a)所示的等效电路； 等效后满足谐振条件时，图中，Z_r为二次侧折射到一次侧的反映阻抗， 满足谐振条件时，其值表示为如下所示：

B、本实施例中的逆变器为电压源型逆变器，输出可近似等效为电 压源，根据诺顿等效定理，图6所示的电压源与L_r、R_Lr串联的电路等效 为电流源与L_r、R_Lr并联电路，如图7a所示，电流源输出电流大小为

由于R_Lr为谐振电感内阻，满足R_Lr<<ωLr，当式(3)成立时，一次侧 线圈电流即为等效电流源输出电流，近似满足I_P≈I_in′≈U_in/jωL_r；

为了使得逆变器输出较小的无功功率，减少逆变器以及线路损耗， 从LCC型补偿拓扑输入端看整个电路应当呈现纯阻性，其输入阻抗表示 为

结合式(14)，上式可化简为

C、根据电路理论，当L_r、C_r、C_P、L_P组成的三端网络应当满足式(6) 时，输入阻抗实现零相角(ZERO PHASE ANGLE,ZPA)；

此时的输入阻抗可以表示为

根据上述谐振元件的取值规则，得出LCC-S谐振补偿拓扑的电压增 益为

为了便于实际应用设计，忽略线圈以及谐振电感Lr内阻的情况下(即 认为R_P、R_S、R_Lr<<ωM、ωL_r、R_eq)，谐振补偿拓扑的电压增益可以简化为

由以上电压增益公式可知，在谐振频率时H_U可以近似为互感M与L_r的比值，当等效电阻R_eq变化时，输出电压U_out维持为准恒定状态；

D、考虑线圈的传输效率时，将逆变器输出视作电压源，运用基波分 析的电路理论，可以得到无线电能传输系统的系统损耗P_t、输出功率 P_out和传输效率η，如下所示

根据电路拓扑形式，列出如下回路矩阵方程：

上式中，

当谐振角频率为ω₀且满足式(6)所示的谐振条件时，阻抗Z₁、Z₂、Z₃的模值均为零，结合上述谐振条件，解回路方程可以得到

其中，ξ＝R_Lr(ω₀M)²+(R_eq+R_S)[(ω₀L_r)²+R_LrR_P]

将上式中所得结果带入到效率表达式(10)，可以系统效率为

同样，也可以得到输出功率的表达式为

同样地，对于系统效率的最优控制，对效率表达式(13)关于负载R_eq求导，得到效率的偏导数表达式：

得到达到最大效率时的最优电阻工作点R_eq-OPT

当调节耦合线圈输出的等效负载R_eq的数值时，另其值为最优负载即 可保持系统效率为最优工作点，而R_eq的调节通过等效负载变换的方式；

在LCC-S补偿下，耦合线圈输出有着恒压的特点，这有两个好处； 一是电能调节装置在恒压母线下调节，方便控制系统的设计；二是当负 载功率保持不变时，且合理设计功率可以使耦合线圈输出等效负载维持 最优；这样既能保持系统效率最优，同时无线充电系统也能工作在额定 状态下。

E、在恒压输出的情况下，当系统工作最优负载工作点时，此时对应 的输出功率也是系统最优功率点，即

控制系统输出功率为系统功率的最优点，即可保证系统效率最优。

经过实践证明，对于并联能源系统来说，上述方法切实可行。同时， 设计系统功率的额定数值为系统最优功率也可以保障系统一直工作在 额定情况，有助于系统的安全可靠高效运行。

考虑负载为超级电容和电池的混合能源系统，超级电容充电要求通 常为恒流充电，而并联的电池可以起到调节输出功率的作用。由于超级 电容恒流充电，随着充电电压的升高，超级电容的充电功率线性上升， 直到系统最优功率点。而电池吸收剩余功率，两者功率相加等于系统最 优功率，从而保证系统效率最优。

从负载补偿角度来说，超级电容恒流充电过程，其等效电阻为：

由于电池和超级电容并联在接收侧整流器之后，耦合线圈的等效输 入电阻R_eq为：

R_eq＝R_{eq_SC}+R_{eq_BAT} (18)

调节电池的等效电阻可以调节耦合线圈的等效输出电阻，从而达到 系统最优负载工作点，而达到系统效率最优。调节控制电池的Buck的 占空比D₂，使下式成立。

通过上述方法，发射侧控制器只需开环提供稳定的方波驱动波形即 可，接收侧控制器不需要发射侧的任何信号。接收侧检测超级电容和电 池的电压和电流，反馈到接收侧控制器。比较超级电容实际电流I_SC和 指令值I*_SC，通过PI调节，得到控制超级电容的Buck电路的控制信号 D₁；根据超级电容实际电压和电流计算其充电功率P_SC，与系统额定功率P*_E(即系统最优功率)相减，得到电池充电功率的指令值P_BAT，除以电 池实际电压U_BAT，得到电流的指令值I*_SC，比较电池实际电流I_BAT和指令 值I*_BAT，通过PI调节，得到控制电池Buck电路的控制信号D₂。

Claims (3)

1.一种基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统，包括位于发射侧的发射侧线圈和位于接收侧的接收侧线圈，其特征在于：所述发射侧还具有用于将发射侧的直流电源变换为高频交流电的发射侧逆变器；所述发射侧逆变器连接无线感应线圈，所述发射侧逆变器和无线感应线圈之间输入原边补偿拓扑；所述接收侧线圈通过副边补偿拓扑连接整流器，所述整流器的后端有两个并联设置的直流变换器，所述整流器能够将感应到的交流电变为直流电并通过两个并联的直流变换器分别为超级电容和电池模块充电。

2.按照权利要求1所述的基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统，其特征在于：所述原边补偿拓扑和副边补偿拓扑为LCC-S补偿拓扑。

3.按照权利要求1所述的基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统，其特征在于：所述LCC-S补偿拓扑电路包括依次串联设置的发射侧内阻R_L、补偿电感L_r以及电容C_P，还包括发射侧的线圈电阻R_P，补偿电感L_r、电容C_P之间的节点与线圈电阻R_P的前端之间连接补偿电容C_r，所述电容C_P和线圈电阻R_P之间连接线圈电感L_P，所述接收侧具有与线圈电感L_P互感的接收侧线圈电感L_S以及与接收侧线圈电感L_S串联连接的补偿电容C_S、电阻R_eq和线圈电阻R_s。

一种基于并联能源系统负载补偿的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、使LCC-S补偿拓扑的接收侧补偿电容的选取满足串联谐振的条件，即ω²L_SC_S＝1，对电路进行等效；等效后满足谐振条件时，其值表示为如下所示：

B、根据诺顿等效定理，电压源与L_r、R_Lr串联的电路等效为电流源与L_r、R_Lr并联电路，电流源输出电流大小为

由于R_Lr为谐振电感内阻，满足R_Lr<<ωLr，当式(3)成立时，一次侧线圈电流即为等效电流源输出电流，近似满足I_P≈I_in′≈U_in/jωL_r；

从LCC型补偿拓扑输入端看整个电路应当呈现纯阻性，其输入阻抗表示为

结合式(14)，上式可化简为

C、根据电路理论，当L_r、C_r、C_P、L_P组成的三端网络应当满足式(6)时，输入阻抗实现零相角；

此时的输入阻抗可以表示为

根据上述谐振元件的取值规则，得出LCC-S谐振补偿拓扑的电压增益为

忽略线圈以及谐振电感Lr内阻的情况下，谐振补偿拓扑的电压增益可以简化为

由以上电压增益公式可知，在谐振频率时H_U可以近似为互感M与L_r的比值，当等效电阻R_eq变化时，输出电压U_out维持为准恒定状态；

D、将逆变器输出视作电压源，运用基波分析的电路理论，可以得到无线电能传输系统的系统损耗P_t、输出功率P_out和传输效率η，如下所示

根据电路拓扑形式，列出如下回路矩阵方程：

上式中，当谐振角频率为ω₀且满足式(6)所示的谐振条件时，阻抗Z₁、Z₂、Z₃的模值均为零，结合上述谐振条件，解回路方程可以得到

其中，ξ＝R_Lr(ω₀M)²+(R_eq+R_S)[(ω₀L_r)²+R_LrR_P]

将上式中所得结果带入到效率表达式(10)，可以系统效率为

同样，也可以得到输出功率的表达式为

同样地，对于系统效率的最优控制，对效率表达式(13)关于负载R_eq求导，得到效率的偏导数表达式：

得到达到最大效率时的最优电阻工作点R_eq-OPT

当调节耦合线圈输出的等效负载R_eq的数值时，令其值为最优负载即保持系统效率为最优工作点，而R_eq的调节通过等效负载变换的方式；

E、在恒压输出的情况下，当系统工作最优负载工作点时，此时对应的输出功率也是系统最优功率点，即

控制系统输出功率为系统功率的最优点，即可保证系统效率最优。