多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統及其控制方法

多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種多相位激勵?全空間拾取的無線傳能系統及其控制方法，可在全空間中獲得高效穩定的能量傳輸。該系統以三個工作模態及相位可調的逆變電源分別激勵相互正交的三個線圈，在理論上以互感耦合理論建立系統的數學模型。通過對系統傳能效率與激勵電源工作模態及其相位的關系進行分析，設計了系統的最大傳能效率調控機制。結合計算機輔助分析軟件，對負載線圈在不同位姿條件下系統的傳能效率進行了研究，研究結果表明負載在隨機位姿狀態下系統均能獲得高效穩定的傳能效率，證明了所設計的調控機制是簡易有效的。
【專利說明】
多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統及其控制方法
技術領域
[0001] 本發明涉及無線電能傳輸技術，具體的說，是一種多相位激勵-全空間拾取的無線 傳能系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線電能傳輸技術的發展，人們對無線電能傳輸的靈活性要求越來越高。
[0003] 現有的無線電能傳輸系統大多采用電磁感應原理，即設置兩個相互接近的發射線 圈和接收線圈，通過發射線圈和接收線圈之間的電磁耦合實現能量的無線傳輸。
[0004] 這樣的傳輸方式原理簡單，易于實現，但是傳輸效率與傳輸距離和線圈方向密切 相關，距離越大，傳輸效率會急劇下降，而且對方向性的要求較高，導致系統的偏移度和靈 活性較差，從而極大地限制了其應用范圍。因此，迫切需要一種適應多方向的高效無線電能 傳輸系統。

【發明內容】

[0005] 針對上述問題，本發明首先提出一種多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，通 過改變耦合機構的結構形式，提高無線電能傳輸系統的方向適應能力，滿足任意方向的自 由拾取。
[0006] 為達到上述目的，本發明采用的具體技術方案如下：
[0007] 一種多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，包括三路高頻交流電壓源、三個原 級諧振回路、負載諧振回路和負載，其關鍵在于，所述三個原級諧振回路中的發射線圈均為 利茲線繞制的單層平面線圈，三個發射線圈的參數均相同，所述三個發射線圈的中心重合 且在三維空間內相互正交設置。
[0008] 通過上述結構改進，三個發射線圈的磁場可以形成全空間分布，接收線圈在任意 一個方向均能有效拾取能量，提高系統的自適應能力。
[0009] 進一步地，所述三個發射線圈采用直徑為2mm的利茲線繞制，內半徑為l〇〇mm，0i間 距為10mm，阻數為10。
[0010] 進一步地，所述負載諧振回路中的接收線圈與發射線圈的結構和參數相同。
[0011]實施過程中，所述三路高頻交流電壓源由直流電源和高頻逆變電路轉換而得。
[0012] 基于上述結構改進，本發明還提出一種多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統 的控制方法，關鍵在于包括以下步驟：
[0013] 步驟1:開始，系統初始化，將三路高頻交流電壓源中的高頻逆變電路設為a、b、c三 種工作模態，初始狀態均工作在模態b且電源相位α和β初始值均為0,其中：
[0014] 模態a為開路狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態a時，對應的第i 個發射線圈傳能因子h = 0,第i個發射線圈與負載線圈間的互感Mla = 0;
[0015] 模態b為逆變狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態b時，對應的第i 個發射線圈傳能因子h=l，第i個發射線圈與負載線圈間存在互感Mla;
[0016] 模態c為短路狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態c時，對應的第i 個發射線圈傳能因子lu = 0,第i個發射線圈與負載線圈間存在互感Mla;
[0017] 所述三路高頻交流電壓源為貧、氏、氏，?/。為有效值，且電源相位關系為：
[0019] 步驟2:檢測三個發射線圈的諧振電流&，人,并根據各路高頻交流電壓源的工作 模態以及電路系統參數計算第i個發射線圈與拾取線圈之間的互感M la，以及優化因子 ^min 5 ^inin ? ^miri ? ^min ? ^tnin J ^imn J ^min 9
[0020] 步驟3:判斷優化因子/^n，Λ1，/H，中的最小值hmin，并按以 下規則進行控制：
[0021] 規則Η1:若/?inin = /?】?，.則根據第一方案控制，若存在一個發射線圈傳能因子為0，則 按照下表控制：
[0023]若所有發射線圈傳能因子均為1，則按照下表控制：
[0025] 規則 Η2:
[0026] 若= 時，將第1個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于 模態a，電源相位不改變；
[0027] 若/^，將第2個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于 模態a，電源相位不改變；
[0028] 若= ，將第3個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于 模態a，電源相位不改變；
[0029] 規則 H3:
[0030] 若1 = 1時，第1個高頻交流電壓源工作于模態~其余高頻交流電壓源工作于模 態b，電源相位不改變；
[0031] 若^^^^時，第2個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模 態b，電源相位不改變；
[0032] 若= 時，第3個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模 態b，電源相位不改變；
[0033] 步驟4:判斷是否停機，如果是，則結束，否則進入步驟5;
[0034] 步驟5:判斷是否存在模態a，如果有則將模態a切換為模態c后返回步驟2,否則直 接返回步驟2。
[0035] 進一步地，按照以下方式計算優化因子：
[0041 ]
:發射線圈電感內阻值 為Ro,負載線圈電感內阻值為^，負載阻值為R，諧振回路的諧振角頻率為ω;其它中間變量 為：
[0046]本發明的有益效果是：
[0047]本發明構建的多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統及其控制方法，能夠保證 負載線圈在大范圍空間中以任意位姿移動時系統具有最大的傳能效率和穩定的傳輸功率， 實現了能量拾取機構有極高的自由度和靈活性。同時，此調控機制無需額外增加控制單元， 如:激勵電源的電壓、電流幅/頻控制器等，具有低成本、小體積等優越性。因此，該系統更適 合應用于對機動性、偏移度、成本和體積要求較苛刻的無線傳能領域，如：電動車、移動機器 人、辦公家電、人工輔助心臟等。
【附圖說明】
[0048]圖1是本發明的原理框圖；
[0049] 圖2是本發明的系統等效電路模型圖；
[0050] 圖3是高頻交流電壓源的不同工作模態圖；
[0051]圖4是負載線圈的分布卦象圖；
[0052]圖5是本發明的控制方法流程圖；
[0053]圖6是線圈仿真模型圖；
[0054]圖7是線圈坐標位置關系圖。
【具體實施方式】
[0055] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】以及工作原理作進一步詳細說明。
[0056] 如圖1所示，一種多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，包括三路高頻交流電 壓源、三個原級諧振回路、負載諧振回路和負載，其特征在于，所述三個原級諧振回路中的 發射線圈均為利茲線繞制的單層平面線圈，三個發射線圈的參數均相同，所述三個發射線 圈的中心重合且在三維空間內相互正交設置。
[0057]為了便于后續分析，使用1、2、3分別代表三個原級諧振回路，使用a代表負載諧振 回路，則系統的等效電路模型如圖2所示。
[0058]圖2中，1^、(：1、1?1、1^1和1|分別為各個諧振回路的電感、調諧電容、線圈內阻、電源內 阻和回路諧振電流，i取值為1、2、3或、(7:、1>3分別為驅動三個原級諧振回路的交流 電壓源，角頻率為ω且滿足式(2-1) ;Mla、M2a、M3a分別為各個原級諧振回路電感和負載諧振 回路電感之間的互感，R為負載電阻;箭頭方向定義為電流正方向。
[0060] 其中，ki取0或l，i = l、2、3,且不全為0，α和β為電源相位，取值范圍為(-jt，jt]。
[0061] 在多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統中，設計三個原級諧振回路的電感值、 內阻值相同，分別為L和Ro,并配置調諧電容使所有諧振回路的諧振角頻率與電源角頻率相 同，忽略三個電源內阻，則根據互感耦合理論，可建立式(2-2)所示的矩陣方程。
[0069] 其中，f\( · )、f2( · )、f3( ·)為非線性映射算子，參數組{ω，Κ〇，Κ，Κ，1α，1?，1?，α， β，υ〇}是系統狀態，為確定的值，當負載位置和姿態改變時，可根據實測的線圈電流求出三 個互感值。
[0070] 無線傳能系統的電能傳輸效率為：
[0072]式(2-3)代入式(2-5)，當時，此條件在實際無線傳能系統中顯然成立，有：
[0075] 根據式(2-6)，系統傳能效率的優化目標為：
[0076] Min:h (2-7)
[0077] 若互感Mla、M2a、M3a連續，即不斷開線圈回路，則系統傳能效率的優化目標等價于：
[0078] Min:g (2-8)
[0079] 在無線傳能系統中，為了得到激勵線圈的高頻交流電流，大多是由直流電源和高 頻逆變電路轉換而得，如圖3所示的逆變電源，其中，V DC為直流電壓源，S:\S4為功率開關 管，Z為等效負載。
[0080] 從負載Z的角度，電源的工作模態分為開路、逆變和短路模態，如圖3所示，對于模 態a和c，在系統傳能效率式(2-1)中對應的k值為0,且模態a對應激勵線圈與負載線圈間的 互感為0,而模態(c)對應的互感不為0。
[0081] 針對三個激勵電源不同的工作模態，對系統的傳能效率做如下分析。
[0082] A:均不工作于模態a
[0083] 在此工作模態條件下，優化目標為(2-8)，表達式g展開為
[0085]當ki、k2、k3取不同組合值時，g有不同的最小值，分別為：
[0086] (1)有且僅有一個1^值為1;
[0087]令第i個激勵線圈的k值為1，此時，g的最小值為：
[0089] 其中，i = l、2、3。此時，電源相位α、β取值域中的任意值。
[0090] (2)有且僅有一個k值為0;
[0091]此條件下，電源相位α、β取值由不同的線圈互感決定，且g的最小值如表1所示。 [0092]表1互感分布與電源相位的關系(有且僅有一個k值為0)
[0094] (3)k 值全為 1;
[0095] 此條件下，g是連續的，其最小值條件等價于：
[0096] MaX:P=F+2[MlaM2aCOSa+MlaM3aCOS0+M2aM3aCOS0-a] (3-3)
[0097] 貝1J:
[0099]于是，p存在最值的必要條件為條件(3-5)中的任意一個。
[0103] 則，G = Y2_XZ，滿足：[0104] G = -4MlaM2aM3a[MlaCOSac0S0+M2aCOSac0S0-aM3aCOS0COS0-a] (3-7)[0105]
[0106] 根據p取得最大值的條件：
[0107] G〈0且X〈0 (3-8)
[0108]求得g的最小值為：
[0110] 且對應的電源相位α、β與互感在卦象圖4中的分布關系應滿足表2。
[0111] 表2互感分布與電源相位的關系(k值全為1)
[0112]
[0113] 根據上述分析結果，對于相同的線圈互感(對應某一負載位姿狀態），激勵線圈的 參數k取不同值時對應不同gmin，為了獲得最小的g值，需對條件(3-10)進行處理。
[0114] MimgVn i = l,2,---,7 (3-10)
[0115] 此條件等價于：
[0119]相應的最小h值為
[0121] B:工作于任意模態
[0122] 在此條件下，當激勵線圈電流為零時，切換電源工作于模態a，即斷開線圈回路，優 化目標只能選擇(2-7)。
[0123] (1)有且僅有一個電源不工作于模態a
[0124] 令第1個電源不工作于模態a，此時，最小的h值為：
[0127] (2)有且僅有一個電源工作于模態a[0128] 令第L個電源工作于模態a，此時，最小的h值為
[0131] 根據上述分析結果，考慮電源能夠工作于任意模態，為了實現系統電能的最大效 率傳輸，需對條件(3-15)進行處理。
[0132] Min:h、in ? = 1，2，···，7 (3-15)
[0133] 此時，對應的最小h值為
[0134] hmin = Max{h1min} (3-16)
[0135] 最大傳能效率為：
[0137] 于是，系統的參數&1，1?，1?，(1，0}可以按照以下方式進行控制，具體如圖5所示 ：
[0138] 步驟1:開始，系統初始化，將三路高頻交流電壓源中的高頻逆變電路設為a、b、c三 種工作模態，初始狀態均工作在模態b且電源相位α和β初始值均為0,其中：
[0139] 模態a為開路狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態a時，對應的第i 個發射線圈傳能因子lu = 0,第i個發射線圈與負載線圈間的互感Mla = 0;
[0140] 模態b為逆變狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態b時，對應的第i 個發射線圈傳能因子lu=l，第i個發射線圈與負載線圈間存在互感Mla;
[0141 ]模態c為短路狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態c時，對應的第i 個發射線圈傳能因子lu = 0,第i個發射線圈與負載線圈間存在互感Mla;
[0142]所述三路高頻交流電壓源為砍、氏、達，權。為有效值，且電源相位關系為：
[0144] 步驟2:檢測三個發射線圈的諧振電流/ρ/':，/5,并根據各路高頻交流電壓源的工作 模態以及電路系統參數計算第i個發射線圈與拾取線圈之間的互感M la，以及優化因子 /?'. , h1· , /?3· , /?4· , Λ5. , /?6. , /?7^ ;
[0145] 步驟3:判斷優化因子ULdL，C, UH:中的最小值hmin，并按以 下規則進行控制：
[0146] 規則H1:若/7_ = /?^，則根據第一方案控制，若存在一個發射線圈傳能因子為0,則 按照下表1控制，若所有發射線圈傳能因子均為1，則按照表2控制；
[0147] 規則 H2:
[0148] 若= ，將第1個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于 模態a，電源相位不改變；
[0149] 若^ = /^時，將第2個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于 模態a，電源相位不改變；
[0150] 若= ，將第3個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作 于模態a，電源相位不改變；
[0151] 規則 H3:
[0152] 若/?mn = /^n時，第1個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模 態b，電源相位不改變；
[0153] 若= .時，第2個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于 模態b，電源相位不改變；
[0154] 若/冗&時，第3個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模 態b，電源相位不改變；
[0155] 步驟4:判斷是否停機，如果是，則結束，否則進入步驟5;
[0156] 步驟5:判斷是否存在模態a，如果有則將模態a切換為模態c后返回步驟2,否則直 接返回步驟2。
[0157] 具體可以按照以下方式計算優化因子：

[0163]
，F=Mla2+M 2a2+M3a2;發射線圈電感內阻值為Ro，負載 線圈電感內阻值為Ra，負載阻值為R，諧振回路的諧振角頻率為ω;其它中間變量為：
[0168] 為了驗證上述系統模型及其調控機制的有效性，建立如圖6所示的C0MS0L仿真模 型，在模型中使用"電路"實現不同相位的激勵電源、使用"磁場"建立線圈耦合機構，在本實 施例中，所述三個發射線圈采用直徑為2mm的利茲線繞制，內半徑為100mm，匝間距為10mm， 匝數為10,且所述負載諧振回路中的接收線圈與發射線圈的結構和參數相同。各個線圈之 間的相對位置示意圖如圖7所示，其中線圈1、2、3在坐標系{A}中，線圈所在平面分別為Χ0Υ、 Χ0Ζ、Υ0Ζ且位置固定;線圈a在坐標系{B}中，所在平面為X'O'Y'且可分別繞乂'、￥'、2'軸旋轉 弧度γ 1;兩個坐標系的位置關系為"坐標系{Α}沿Ζ軸平移d，再沿Υ軸逆時針旋轉弧度 Θ，最后沿Z軸逆時針旋轉弧度供，變換為坐標系{B}"，即坐標系{B}的原點位于以0為球心、d 為半徑的球面上。
[0169] 在建立的仿真模型中，設計系統的諧振頻率為500kHz，球半徑為0.4m，研究負載線 圈a分布于不同位置且具有不同姿態時系統的調控機制和傳能效率。
[0170] (1)位于球面的切平面上
[0171] 對參數組{氏供}利用隨機抽樣法在區間（-m]內任意選取20組參數進行實驗，測 試結果如表3所示，其中"一-"表示相位可以取值域(-π,π]中的任意值(下同），為了便于實 際調控，取為負載位姿前一狀態對應的相位值。
[0172] 表3實驗測試結果(負載線圈位于球面的切平面上）
[0175] 從表3可以看出，根據前述調控機制對激勵電源工作模態及其相位進行調控，可以 保證當負載在整個球面區域內隨機移動時系統獲得較穩定并且較高的傳能效率。
[0176] (2)位于球面且線圈隨機旋轉
[0177] 為了進一步檢驗負載在空間中移動的自由度，在表3中隨機取5個參數組丨A pH直， 并針對每一個參數組利用隨機抽樣法在坐標系{B}中取負載線圈的5組參數{~，&，丫：丨進 行實驗，參數值的取樣區間為(_\幻，測試結果如表4~表8所示，其中，"C1"表示β-α = 0，" C2"表示β-α=±3?(下同），在實際調控中，固定其中任意一個相位，僅調控另一個相位。
[0178] 表4實驗測試結果(第5個參數組）
[0188] 從表4~表8可以看出，當負載線圈在球面上隨機移動或隨機旋轉時，通過對激勵 電源工作模態及其相位進行調控，可以保證系統獲得較穩定并且較高的傳能效率。
[0189] (3)以隨機姿態分布于球內的隨機位置
[0190] 當負載線圈在球內隨機移動和旋轉時，利用隨機抽樣法任意選取20組參數進行實 驗，d的抽樣區間為[0.2,0.4]、弧度的抽樣區間為(-^]，測試結果如表9所示。
[0191] 表9實驗測試結果(負載線圈以隨機姿態分布于球內的隨機位置）
[0192]
[0193] 表9顯示，無論負載線圈在整個全球空間中如何移動和旋轉，通過對激勵電源工作 模態及其相位進行調控，仍然能夠保證系統獲得較穩定并且較高的傳能效率。表中傳能效 率因為傳輸距離的變化而出現較大的波動，而在實際系統中，負載線圈的位姿不存在突變 的狀態，相應的系統傳能效率則連續變化，負載拾取的能量亦連續穩定。
[0194] 綜上所述，本發明構建的新型調控機制能夠保證負載線圈在大范圍空間中以任意 位姿移動時系統具有最大的傳能效率和穩定的傳輸功率，從而實現能量拾取機構有極高的 自由度和靈活性。同時，此調控機制無需額外增加控制單元，如:激勵電源的電壓、電流幅/ 頻控制器等，具有低成本、小體積等優越性。因此，本文構建的多相位激勵-全空間拾取的無 線傳能系統更適合應用于對機動性、偏移度、成本和體積要求較苛刻的無線傳能領域，如： 電動車、移動機器人、辦公家電、人工輔助心臟等無線充供電領域。
【主權項】
1. 一種多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，包括三路高頻交流電壓源、三個原級 諧振回路、負載諧振回路和負載，其特征在于，所述三個原級諧振回路中的發射線圈均為利 茲線繞制的單層平面線圈，三個發射線圈的參數均相同，所述三個發射線圈的中心重合且 在三維空間內相互正交設置。2. 根據權利要求1所述的多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，其特征在于:所述 三個發射線圈采用直徑為2mm的利茲線繞制，內半徑為100mm，匝間距為10mm，匝數為10。3. 根據權利要求1或2所述的多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，其特征在于:所 述負載諧振回路中的接收線圈與發射線圈的結構和參數相同。4. 根據權利要求1所述的多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統，其特征在于:所述 三路高頻交流電壓源由直流電源和高頻逆變電路轉換而得。5. -種如權利要求4所述的多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統的控制方法，其特 征在于包括以下步驟： 步驟1:開始，系統初始化，將三路高頻交流電壓源中的高頻逆變電路設為a、b、c三種工 作模態，初始狀態均工作在模態b且電源相位α和β初始值均為0,其中： 模態a為開路狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態a時，對應的第i個發 射線圈傳能因子ki = 0,第i個發射線圈與負載線圈間的互感Mia = O; 模態b為逆變狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態b時，對應的第i個發 射線圈傳能因子ki=l，第i個發射線圈與負載線圈間存在互感Mia; 模態c為短路狀態，當第i (i = 1，2，3)路高頻交流電壓源處于模態c時，對應的第i個發 射線圈傳能因子ki = 0,第i個發射線圈與負載線圈間存在互感Mia; 所述三路高頻交流電壓源為墳、這、広，Uo為有效值，且電源相位關系為：步驟2:檢測三個發射線圈的諧振電流并根據各路高頻交流電壓源的工作模態 以及電路系統參數計算第i個發射線圈與拾取線圈之間的互感Mla，以及優化因子 Aniu? Aniu ， Amini ^min- ? ^min ? 步驟3:判斷優化因子I,心,I，I，/4, /4中的最小值h_，并按以下規 則進行控制： 規則Hl:若，則根據第一方案控制，若存在一個發射線圈傳能因子為0,則按照 下表控制：規則H2: 若辦_ = 時，將第1個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于模態 a，電源相位不改變； 若= AL時，將第2個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于模態 a，電源相位不改變； 若\& = ^n時，將第3個高頻交流電壓源工作于模態b，其余高頻交流電壓源工作于模態 a，電源相位不改變； 規則H3: 若Anin = ^1"時，第1個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模態b， 電源相位不改變； 若Amin = Ymn時，第2個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模態b， 電源相位不改變； 若4?χ= €1"時，第3個高頻交流電壓源工作于模態a，其余高頻交流電壓源工作于模態b， 電源相位不改變； 步驟4:判斷是否停機，如果是，則結束，否則進入步驟5; 步驟5:判斷是否存在模態a，如果有則將模態a切換為模態c后返回步驟2,否則直接返 回步驟2。6.根據權利要求5所述的多相位激勵-全空間拾取的無線傳能系統的控制方法，其特征 在于按照以下方式計算優化因子：中間變j發射線圈電感內阻值為R〇,負載線圈 電感內阻值為Ra，負載阻值為R，諧振回路的諧振角頻率為ω;其它中間變量為：
【文檔編號】H02J50/12GK106026417SQ201610352844
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】葉兆虹, 孫躍, 戴欣, 唐春森, 朱婉婷
【申請人】重慶大學