三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法
【專利摘要】本發明提供了三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法，其中三諧振線圈無線電能系統包括頻率可調功率源、無線電能傳輸裝置、負載和頻率調節控制器。控制方法通過無線電能傳輸接收裝置反饋信號給頻率控制器以得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而頻率控制器根據工作頻率與傳輸距離之間的關系調節可調頻率功率源的頻率，使無線電能傳輸裝置在傳輸距離變化時，負載輸出功率維持在最大水平；輸出電壓調節裝置對無線電能接收裝置的輸出進行AC-DC變換或AC-DC-AC變換以給負載供電。該發明實現了三諧振線圈無線電能傳輸系統的最大功率輸出，適合于電動汽車等中大功率的無線充電系統。
【專利說明】三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于無線電能傳輸技術的應用領域，特別涉及三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法。
【背景技術】
[0002]2006年，麻省理工學院(MIT)的研究人員利用物理的共振原理成功的在2m距離左右以40%的效率點亮了一個60W的燈泡，該實驗成為了無線電能傳輸技術的一個新突破，實現了中等距離的全方位的無線電能傳輸，并掀起了全世界無線電能傳輸研究的熱潮。
[0003]其實早在MIT實驗成功的100多年前，美國發明家特斯拉(Nicola Tesla)就實現了類似的技術，但此后的很長時間內，無線電能傳輸技術發展緩慢。
[0004]MIT實驗成功后，世界各國的研究人員對諧振耦合無線電能傳輸進行了大量深入的研究，對系統的建模和最大功率、最大效率控制方法取得了卓有成效的研究成果。在實現最大功率或最大效率的方法上有自動阻抗匹配方法和自動頻率跟蹤方法，這兩種方法的可行性已經在實驗中得到驗證。
[0005]但目前的最大功率控制方法大部分是基于諧振耦合無線電能傳輸系統失諧問題進行控制的，例如采用鎖相環(PLL)技術，也有對諧振耦合無線電能傳輸系統本身的頻率分裂現象進行控制的。基于鎖相環(PLL)技術的控制方法只能在小范圍內對輸出功率進行調節，系統一旦遠遠偏離諧振頻率時，控制方法失去作用。基于頻率分裂現象的控制方法是對系統本身的特性進行控制，具有較好的性能，但目前此控制方法的分析還不夠全面，無法應用于本發明所提及的三諧振線圈模型。另外，對于其他的補償電容矩陣或可調電容來進行調節頻率的方法，增加了系統結構和控制的復雜性。并且，諧振耦合無線電能傳輸系統通常采用四諧振線圈模型，這種接收端為兩個線圈的情況在實際使用中存在極大的不方便，因此可以省去一個負載線圈；而發射端由于可以固定在某個位置，采用兩個線圈是可以實現的。因此，采用三諧振線圈的無線電能傳輸系統更加具有實用性。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法，實現在一定距離內無線電能傳輸系統的最大功率傳輸。
[0007]本發明通過如下技術方案實現:
[0008]三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法，所述三諧振線圈無線電能系統包括頻率可調功率源、無線電能傳輸裝置和負載，所述無線電能傳輸裝置包括無線電能發射裝置、無線電能接收裝置和輸出電壓調節裝置；其特征在于通過無線電能傳輸接收裝置反饋信號給頻率控制器以得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而頻率控制器根據工作頻率與傳輸距離之間的關系調節可調頻率功率源的頻率，使無線電能傳輸裝置在傳輸距離變化時，負載輸出功率維持在最大水平；所述輸出電壓調節裝置對無線電能接收裝置的輸出進行AC-DC變換或AC-DC-AC變換以給負載供電。[0009]進一步的，無線電能傳輸裝置采用諧振耦合的方式實現。
[0010]進一步的，無線電能傳輸接收裝置發送紅外信號給頻率控制器，頻率控制器根據無線電能傳輸接收裝置反饋的信號得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而根據控制頻率與傳輸距離的關系通過DSP或FPGA編程實現對頻率可調功率源進行頻率調節。
[0011]與現有技術相比，本發明具有如下優點:采用諧振耦合方式實現無線電能傳輸，實現系統頻率的自動調節，在同樣傳輸距離內實現最大功率的傳輸，并維持在穩定的水平。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明方案的示意圖。
[0013]圖2為本發明方案頻率可調功率源的具體實施電路圖。
[0014]圖3為三諧振線圈無線電能傳輸系統示意圖。
[0015]圖4為三諧振線圈模型的等效電路圖。
[0016]圖5為三諧振線圈模型的頻率f與耦合系數k關系的頻率分裂圖。
[0017]圖6為有頻率調節和固定頻率的S參數與耦合系數k的關系曲線圖。
具體實施方案
[0018]以下結合附圖對本發明的具體實施作進一步描述，但本發明的實施和保護不限于此。
[0019]實施例1
[0020]圖1為本發明方案的示意圖。圖2為本發明方案頻率可調功率源的具體實施電路圖，包括一個開關管S,第一電容Ctl,第二電容C,第一電感Ltl,第二電感L和負載R。
[0021]圖3是本發明三諧振線圈無線電能傳輸系統的示意圖。無線電能傳輸發射裝置由諧振線圈I和諧振線圈2組成，無線電能傳輸接收裝置由諧振線圈3組成。以下以此模型為例，說明本發明的控制方法。
[0022]圖4為本發明三諧振無線電能傳輸系統示意圖的簡化等效電路模型(不考慮諧振線圈I和3之間的耦合)。圖4中，Rs為源內阻，&為負載電阻，諧振線圈I等效為電感U、電容C1和線圈內阻R1,諧振線圈2等效為電感L2、電容C2和線圈內阻R2,諧振線圈3等效為電感L3、電容C3和線圈內阻R3。
[0023]電路模型的參數為:源內阻:RS=50Q ;負載電阻:Rl=50Q ;線圈電感I1=I μ H，L2=L3=20 μ H ;電容:^=253--, C2=C4=12.67pF ;線圈內阻=R1=0.2Ω，R2=R3=0.5 Ω ;耦合系數
k12=0.1o
[0024]根據基爾霍夫電壓定律，得:
【權利要求】
1.三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法，所述三諧振線圈無線電能系統包括頻率可調功率源(I )、無線電能傳輸裝置(2 )和負載(3 )，所述無線電能傳輸裝置(2 )包括無線電能發射裝置、無線電能接收裝置和輸出電壓調節裝置；其特征在于通過無線電能傳輸接收裝置反饋信號給頻率控制器(4)以得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而頻率控制器(4)根據工作頻率與傳輸距離之間的關系調節可調頻率功率源(I)的頻率，使無線電能傳輸裝置(2)在傳輸距離變化時，負載(3)輸出功率維持在最大水平；所述輸出電壓調節裝置對無線電能接收裝置的輸出進行AC-DC變換或AC-DC-AC變換以給負載(3)供電。
2.根據權利要求1所述的三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法，其特征在于無線電能傳輸裝置(2)采用諧振耦合的方式實現。
3.根據權利要求1所述的三諧振線圈無線電能傳輸系統最大功率控制方法，其特征在于無線電能傳輸接收裝置發送紅外信號給頻率控制器(4)，頻率控制器(4)根據無線電能傳輸接收裝置反饋的信號得到無線電能傳輸接收裝置的位置信號，從而根據控制頻率與傳輸距離的關系通過DSP或FPGA編程實現對頻率可調功率源(I)進行頻率調節。
【文檔編號】H02J17/00GK103812229SQ201310629569
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月28日 優先權日:2013年11月28日
【發明者】張波, 黃潤鴻, 丘東元 申請人:華南理工大學