CN115102304B - 双向电场耦合式无线电能传输系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向电场耦合式无线电能传输系统及其控制方法，包括原边电路和副边电路，原边电路和副边电路均包括电源接口、变换器、谐振网络和一对金属极板，在原边变换器上连接有原边控制器，在副边变换器上连接有副边控制器，原边电路和副边电路之间通过原边金属极板和副边金属极板实现双向电场耦合式无线电能传输，原边控制器控制原边变换器的相移变量，副边控制器控制副边变换器的相移变量，原、副边输出电压的相对相位角为θ，当0°<θ<180°时，实现系统正向功率传输，当‑180°<θ<0°时，实现系统反向功率传输。本发明使得功率流大小和方向都可以通过原、副边变换器产生的电压的相位或幅值来调节控制，有效适用于双向电场耦合式无线电能传输系统的功率流调节。

Description

双向电场耦合式无线电能传输系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种双向电场耦合式无线电能传输系统及其控制方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是利用电力电子技术，通过磁场、电场、微波或激光等介质实现功率传输的一种新型技术，解决了电能触点不安全、不灵活的问题。在过去的几年中，感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)受到了广泛的关注，其理论和技术得到了广泛的研究和应用。然而，由于电磁屏蔽，IPT系统无法通过金属障碍物进行电能传输，并且当金属物体靠近磁场时电能损耗严重。电场耦合式无线电能传输(Capacitive Power Transfer,CPT)技术以电场为能量传输介质，不考虑金属干扰，引起了专家学者的广泛关注。CPT系统的电场主要集中在耦合极板之间，周围的电磁干扰大大降低。

由于CPT系统的耦合电容通常很小，需要在高频下工作，其性能与使用电容耦合器的电路拓扑密切相关。目前常用的谐振拓扑包括双侧LC，双侧LCL，双侧LCLC以及双侧CLCL等，以此满足大功率远距离需求和从低功率电子设备到高功率电动汽车的广泛应用。双侧LCL谐振拓扑存在着一些问题，如串联的电感比较大，导致系统体积增大，电感等效串联电阻较大，热损耗过多；双侧LCLC或CLCL谐振拓扑的元器件过多，高阶系统参数影响明显，鲁棒性差；而双侧LC谐振网络，除了结构简单外，只需要在二次侧安装两个外部无源元件，这有助于节省空间。其次，可以应用于短距离和长距离应用，且传输效率可以优化到相对较高的水平。然而，目前提出的CPT系统都是专门针对于单向功率流传输，并不适用于双向功率流传输。

发明内容

本发明提供了一种双向电场耦合式无线电能传输系统及其控制方法，使得电动汽车或用电设备之间的功率流大小和方向都可以通过原、副边变换器产生的电压的相位或幅值来调节控制，可以有效适用于双向电场耦合式无线电能传输系统的功率流调节。

本发明提供了一种双向电场耦合式无线电能传输系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括原边电源接口、原边变换器、原边谐振网络和一对原边金属极板，所述副边电路包括副边电源接口、副边变换器、副边谐振网络和一对副边金属极板，在所述原边变换器上连接有原边控制器，在所述副边变换器上连接有副边控制器，所述原边电路和所述副边电路之间通过所述一对原边金属极板和一对副边金属极板实现双向电场耦合式无线电能传输，其中：所述原边控制器控制所述原边变换器产生桥间相移所述副边控制器控制所述副边变换器产生延迟相位δ和桥间相移/>使得原、副边输出电压的相对相位角为θ，当0°<θ<180°时，实现系统正向功率传输，当-180°<θ<0°时，实现系统反向功率传输。

进一步地，所述原边电源接口与所述原边变换器之间设置有原边滤波电容C_d，所述副边电源接口与所述副边变换器之间设置有副边滤波电容C_o。

进一步地，所述原边谐振网络和所述副边谐振网络均采用LC谐振网络，其中：所述原边谐振网络包括原边谐振电感L₁和原边补偿电容C_f1，所述副边谐振网络包括副边谐振电感L₂和副边补偿电容C_f2。

进一步地，所述原边谐振网络和所述副边谐振网络中各个电器元件参数满足：

其中，ω为系统工作角频率，L₁为原边谐振电感L₁的自感，L₂为副边谐振电感L₂的自感，C₁为系统等效电流源模型中原边谐振回路等效自电容，C₂为系统等效电流源模型中副边谐振回路等效自电容，C_M为所述一对原边金属极板和一对副边金属极板构成的电场耦合机构等效互电容。

进一步地，所述原边谐振回路等效自电容C₁＝C_in1+C_f1，所述副边谐振回路等效自电容C₂＝C_in2+C_f2，所述电场耦合机构等效互电容其中：

C_f1为原边补偿电容C_f1的电容值，C_f2为副边补偿电容C_f2的电容值；

中间变量

中间变量

所述一对原边金属极板包括极板P₁和极板P₂，所述一对副边金属极板包括极板P₃和极板P₄，则：

C₁₂表示极板P₁和极板P₂之间的等效电容，C₁₃表示极板P₁和极板P₃之间的等效电容，C₁₄表示极板P₁和极板P₄之间的等效电容，C₂₃表示极板P₂和极板P₃之间的等效电容，C₂₄表示极板P₂和极板P₄之间的等效电容，C₃₄表示极板P₃和极板P₄之间的等效电容。

进一步地，所述原边变换器和所述副边变换器均采用全桥可逆整流器，其中，所述原边变换器包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，所述副边变换器包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8。

进一步地，所述原边控制器和所述副边控制器根据所述副边变换器接收的有功功率P_r和无功功率Q_r的需求，按照：的约束关系控制所述原边变换器和所述副边变换器，其中V_d表示所述原边电源接口的直流电压，V_o表示所述副边电源接口的直流电压。

进一步地，所述原边控制器和所述副边控制器按照θ＝±90°的方式控制所述原边变换器和所述副边变换器实现最大正向功率传输或反向功率传输。

进一步地，原边和副边电路的输出连接到电子设备并吸收或传输功率，两端输出接口都由直流电源表示。在系统正向功率传输时，所述原边电源输出能量，所述副边电源接收能量，在系统反向功率传输时，所述副边电源输出能量，所述原边电源接收能量。本发明还提供了一种用于如上所述的双向电场耦合式无线电能传输系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、原边变换器和副边变换器进行无线通信连接，同时初始化开关频率、原边变换器输出电压和期望功率；

S2、调整原边变换器产生桥间相移得到期望的原边变换器输出电压V_p；

S3、得到系统的实际输出功率P，并判断系统实际输出功率P是否大于设定功率；

S4、若系统实际输出功率P不等于设定功率，则调整副边变换器产生延迟相位δ和桥间相移以满足系统实际功率需求；

S5、若系统实际输出功率P等于设定功率，则等待功率到达稳态，最终期望功率等于实际输出功率。

本发明的有益效果为：

本发明提出了一种适用于用电设备同时无线充放电的双向电场耦合式无线电能传输系统，功率可以双向流动适用于各种需要充电的设备，当电网不能及时对设备进行供电时，它能够通过其他设备给需要的设备进行供电，一方面可以及时有效地给其供电，另一方面节约电、不浪费，适用于电网及电动汽车和多个电子设备应用之间进行双向电能传输，使得电动汽车或用电设备之间的功率流大小和方向都可以通过原、副边变换器产生的电压的相位或幅值来调节控制，可以有效适用于双向电场耦合式无线电能传输系统的功率流调节。

附图说明

图1为本发明双向电场耦合式无线电能传输系统的电路拓扑图。

图2为本发明双向电场耦合式无线电能传输系统的等效电流源模型的简化电路图。

图3为本发明双向电场耦合式无线电能传输系统原、副边变换器的开关切换时序图。

图4为本发明LC谐振网络的双向电场耦合式无线电能传输系统的等效电路图。

图5为本发明中功率流与变换器输出电压的相对相位角θ的相位关系图。

图6为本发明中原副边变换器的移相控制策略图。

图7为本发明中功率流控制方法的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为方便实现设备间的能源供需，基于双侧LC谐振网络的典型BCPT(双向电场耦合式无线电能传输，Bidirectional Capacitive Power Transfer,BCPT)系统的电路拓扑如图1所示。在交互电场的作用下，实现能量在极板间无线电能传输，原边和副边电路的输出连接到电子设备并吸收或传输功率，两端输出接口都由直流电源表示。原边电路和接收电路采用几乎相同的电气设备以此促进设备之间的双向功率流，包括全桥变换器(可逆整流器)和双侧LC谐振网络。根据功率流的方向，每个变换器在逆变或整流模式下运行。全桥变换器输出电压的大小和相对相位角将决定用电设备之间的功率大小和方向。

双向电场耦合式无线电能传输系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路包括原边电源接口、原边变换器、原边谐振网络和一对原边金属极板，所述副边电路包括副边电源接口、副边变换器、副边谐振网络和一对副边金属极板，在所述原边变换器上连接有原边控制器，在所述副边变换器上连接有副边控制器，所述原边电路和所述副边电路之间通过所述一对原边金属极板和一对副边金属极板实现双向电场耦合式无线电能传输，其中：所述原边控制器控制所述原边变换器产生桥间相移所述副边控制器控制所述副边变换器产生延迟相位δ和桥间相移/>使得原、副边输出电压的相对相位角为θ，当0°<θ<180°时，实现系统正向功率传输，当-180°<θ<0°时，实现系统反向功率传输。

所述原边电源接口与所述原边变换器之间设置有原边滤波电容C_d，所述副边电源接口与所述副边变换器之间设置有副边滤波电容C_o。所述原边谐振网络和所述副边谐振网络均采用LC谐振网络，其中：所述原边谐振网络包括原边谐振电感L₁和原边补偿电容C_f1，所述副边谐振网络包括副边谐振电感L₂和副边补偿电容C_f2。

所述原边谐振网络和所述副边谐振网络中各个电器元件参数满足(即LC谐振电路频率公式为)：

其中，ω为系统工作角频率，L₁为原边谐振电感L₁的自感，L₂为副边谐振电感L₂的自感，C₁为系统等效电流源模型中原边谐振回路等效自电容，C₂为系统等效电流源模型中副边谐振回路等效自电容，C_M为所述一对原边金属极板和一对副边金属极板构成的电场耦合机构等效互电容。

在图1中，L₁和L₂为线圈自感，C_f1和C_f2为谐振补偿电容。原边变换器和所述副边变换器均采用全桥可逆整流器，其中，所述原边变换器包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，所述副边变换器包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8。谐振回路采用双侧LC结构，v_p和v_r是原、副边变换器的输出电压，i₁和i₂为谐振回路的电流。V_d和V_o分别是两边直流电压。

BCPT系统的等效电流源模型的简化电路图如图2所示，与两个电容电压相关的电流源表示原边和副边之间的电容耦合。其原边和副边的等效自电容表示为：所述原边谐振回路等效自电容C₁＝C_in1+C_f1，所述副边谐振回路等效自电容C₂＝C_in2+C_f2，

电容耦合系数为：

所述电场耦合机构等效互电容其中：C_f1为原边补偿电容C_f1的电容值，C_f2为副边补偿电容C_f2的电容值，中间变量/>中间变量/>其中，一对原边金属极板包括极板P₁和极板P₂，一对副边金属极板包括极板P₃和极板P₄，则：C₁₂表示极板P₁和极板P₂之间的等效电容，C₁₃表示极板P₁和极板P₃之间的等效电容，C₁₄表示极板P₁和极板P₄之间的等效电容，C₂₃表示极板P₂和极板P₃之间的等效电容，C₂₄表示极板P₂和极板P₄之间的等效电容，C₃₄表示极板P₃和极板P₄之间的等效电容。

原、副边控制器均采用移相技术，系统的功率流通过调整变换器电压之间的移相角和两个变换器的输出电压实现。原边控制器对原边变换器产生桥间相移副边控制器对副边变换器产生桥间相移/>以此调整原、副边变换器输出电压的大小。另外，在原边和副边变换器的驱动信号之间还可以设置延迟相位δ。通常，可以调整副边的延迟相位δ和桥间相移/>来得到系统所需的功率流大小和方向。系统的原、副边变换器的开关切换时序图如图3所示。

如图3所示，原、副边变换器开关管(S1-S4、S5-S8)以50％的占空比和开关频率f运行，以产生电压v_p和v_r，原、副边变换器两个桥臂之间的相位差分别为和/>原、副边变换器输出电压的相对相位差可以表示为θ，变换器输出电压可以通过傅立叶级数展开得出：

其中，ω_s＝2πf_s；

使用基波近似法分析电路工作原理，如图4所示。两个变换器在等效电路中由两个受控交流电压源表示。当系统变换器开关角频率ω_s等于系统谐振频率时，基于基尔霍夫电压定律，图4所示的BCPT系统元件的电流和电压关系式可建立为：

系统副边变换器输出电流I₂可以表示为：

通过LC谐振电路频率公式中的谐振关系，I₂简化后可以得到：

忽略变换器输出电压通过傅立叶级数展开的公式中原副边变换器输出电压公式中变换器输出电压的高次谐波对传输功率的影响，副边变换器接收的有功功率P_r和无功功率Q_r的公式为：

因此，所述原边控制器和所述副边控制器根据所述副边变换器接收的有功功率P_r和无功功率Q_r的需求，按照：的约束关系控制所述原边变换器和所述副边变换器，其中V_d表示所述原边电源接口的直流电压，V_o表示所述副边电源接口的直流电压。

根据如上公式，对于系统给定的电路参数和直流电压，系统副边的功率取决于原、副边输出电压的相对相位角。因此，系统的功率大小和方向可以通过原、副边变换器两个桥臂之间的相位差和/>及原、副边变换器输出电压相对相位角θ来调节。当0<θ<180°时,P_r<0，滞后的相对相位角使功率能够从原边传输到副边，系统正向传输功率；当-180°<θ<0时，P_r>0，超前的相对相位角使功率从副边到原边传输，系统反向传输功率；对于任何给定电压，所述原边控制器和所述副边控制器按照θ＝±90°的方式控制所述原边变换器和所述副边变换器实现最大正向功率传输或反向功率传输。如图5显示了功率流与变换器输出电压的相对相位角θ的相位关系图。因此，控制功率流的有效方法是通过调节变换器输出电压的相对相位角θ，使系统在两个方向上进行功率流传输。对于任何期望的功率流传输可以通过调制相位/>的任何组合，以此可以控制变换器输出电压的相对相位角θ。

本发明还提供了一种功率流控制方法，基于如上所述的双向电场耦合式无线电能传输系统。

原边的全桥变换器如图6中的原边控制器驱动。其有一个三角波发生器来产生相位调制方波电压v_p。副边控制器通过将参考功率P_e和实际功率P_r的差值提供给PI控制器，以产生桥间相移从而改变副边变换器电压大小和原副边变换器电压间的相对相位角θ，使得副边变换器工作在该相对相位角产生的电压时减小功率间的误差。变换器电压v_r超前或滞后电压v_p相位角θ，其中0<θ<π之间的相位角导致副边变换器作为整流器工作，向副边电池设备或电动汽车供电。当副边变换器在逆变器模式下工作时，相位角在-π<θ<0，副边的电池设备或电动汽车向原边电源供电。

基于图6所示的控制策略，通过调整变换器桥臂之间的相移和原、副边变换器的电压来调节系统的输出功率。原边控制器在原边变换器两个桥臂之间产生移相角 用于调整原边变换器输出电压的幅值，进而可以调整系统输出额定电流i₂。副边控制器在副边变换器两个桥臂之间产生移相角/>并产生副边变换器相对原边变换器支路之间的延迟相位δ。通常，调整副边延迟相位δ和桥间相移/>就可以达到系统所需的功率流大小和方向。因此，基于移相控制，将来自原、副边控制器的相移变量(/>和δ)转换为变换器开关管S1-S8的开关信号，有效地调整原、副边变换器电压的幅值和相位，以实现BCPT系统所需的功率流。

本发明提出的BCPT系统功率流控制方法流程图如图7所示。在系统开始时，原、副边设备进行无线通信连接，初始化开关频率、原边变换器输出电压和期望的功率流设置。首先根据期望的原边变换器输出电压V_p调整原边桥间相移然后根据系统的实际输出功率与期望的功率进行比较，调整副边变换器延迟相位δ和桥间相移/>以满足系统实际功率需求。此时，功率流流向和大小已经和期望功率流相同，系统工作结束。其具体步骤如下：

S1、原边变换器和副边变换器进行无线通信连接，同时初始化开关频率、原边变换器输出电压和期望功率；

S2、调整原边变换器产生桥间相移得到期望的原边变换器输出电压V_p；

S3、得到系统的实际输出功率P，并判断系统实际输出功率P是否大于设定功率；

S4、若系统实际输出功率P等于设定功率，则调整副边变换器产生延迟相位δ和桥间相移以满足系统实际功率需求；

S5、若系统实际输出功率P等于设定功率，则等待功率到达稳态，最终期望功率等于实际输出功率。

本发明提出的基于双侧LC谐振网络的双向电场耦合式无线电能传输系统，适用于电网及电动汽车和多个电子设备应用之间进行双向电能传输，使得电动汽车或用电设备之间的功率流大小和方向都可以通过原、副边变换器产生的电压的相位或幅值来调节控制，提出的控制方法可以有效适用于BCPT系统的功率流调节。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种双向电场耦合式无线电能传输系统，包括原边电路和副边电路，其特征在于，所述原边电路包括原边电源接口、原边变换器、原边谐振网络和一对原边金属极板，所述副边电路包括副边电源接口、副边变换器、副边谐振网络和一对副边金属极板，在所述原边变换器上连接有原边控制器，在所述副边变换器上连接有副边控制器，所述原边电路和所述副边电路之间通过所述一对原边金属极板和一对副边金属极板实现双向电场耦合式无线电能传输，其中：所述原边控制器控制所述原边变换器产生桥间相移所述副边控制器控制所述副边变换器产生延迟相位δ和桥间相移/>使得原、副边输出电压的相对相位角为θ，当0°<θ<180°时，实现系统正向功率传输，当-180°<θ<0°时，实现系统反向功率传输。

2.根据权利要求1所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边电源接口与所述原边变换器之间设置有原边滤波电容C_d，所述副边电源接口与所述副边变换器之间设置有副边滤波电容C_o。

3.根据权利要求1或2所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振网络和所述副边谐振网络均采用LC谐振网络，其中：所述原边谐振网络包括原边谐振电感L₁和原边补偿电容C_f1，所述副边谐振网络包括副边谐振电感L₂和副边补偿电容C_f2。

4.根据权利要求3所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振网络和所述副边谐振网络中各个电器元件参数满足：

其中，ω为系统工作角频率，L₁为原边谐振电感L₁的自感，L₂为副边谐振电感L₂的自感，C₁为系统等效电流源模型中原边谐振回路等效自电容，C₂为系统等效电流源模型中副边谐振回路等效自电容，C_M为所述一对原边金属极板和一对副边金属极板构成的电场耦合机构等效互电容。

5.根据权利要求4所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边谐振回路等效自电容C₁＝C_in1+C_f1，所述副边谐振回路等效自电容C₂＝C_in2+C_f2，所述电场耦合机构等效互电容其中：

C_f1为原边补偿电容C_f1的电容值，C_f2为副边补偿电容C_f2的电容值；

中间变量

中间变量

所述一对原边金属极板包括极板P₁和极板P₂，所述一对副边金属极板包括极板P₃和极板P₄，则：

C₁₂表示极板P₁和极板P₂之间的等效电容，C₁₃表示极板P₁和极板P₃之间的等效电容，C₁₄表示极板P₁和极板P₄之间的等效电容，C₂₃表示极板P₂和极板P₃之间的等效电容，C₂₄表示极板P₂和极板P₄之间的等效电容，C₃₄表示极板P₃和极板P₄之间的等效电容。

6.根据权利要求1或4或5所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边变换器和所述副边变换器均采用全桥可逆整流器，其中，所述原边变换器包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，所述副边变换器包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8。

7.根据权利要求4或5所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边控制器和所述副边控制器根据所述副边变换器接收的有功功率P_r和无功功率Q_r的需求，按照：的约束关系控制所述原边变换器和所述副边变换器，其中V_d表示所述原边电源接口的直流电压，V_o表示所述副边电源接口的直流电压。

8.根据权利要求1所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：所述原边控制器和所述副边控制器按照θ＝±90°的方式控制所述原边变换器和所述副边变换器实现最大正向功率传输或反向功率传输。

9.根据权利要求1或8所述的双向电场耦合式无线电能传输系统，其特征在于：原边和副边电路的输出连接到电子设备并吸收或传输功率，两端输出接口都由直流电源表示；在系统正向功率传输时，所述原边直流电源输出能量，所述副边电源接收能量；在系统反向功率传输时，所述副边电源输出能量，所述原边电源接收能量。

10.一种用于权利要求1-9任一所述的双向电场耦合式无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、原边变换器和副边变换器进行无线通信连接，同时初始化开关频率、原边变换器输出电压和期望功率；

S2、调整原边变换器产生桥间相移得到期望的原边变换器输出电压V_p；

S3、得到系统的实际输出功率P，并判断系统实际输出功率P是否大于设定功率；

S4、若系统实际输出功率P不等于设定功率，则调整副边变换器产生延迟相位δ和桥间相移以满足系统实际功率需求；

S5、若系统实际输出功率P等于设定功率，则等待功率到达稳态，最终期望功率等于实际输出功率。