三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法
【专利摘要】本发明提供了三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，其中三谐振线圈无线电能系统包括频率可调功率源、无线电能传输装置、负载和频率调节控制器。控制方法通过无线电能传输接收装置反馈信号给频率控制器以得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而频率控制器根据工作频率与传输距离之间的关系调节可调频率功率源的频率，使无线电能传输装置在传输距离变化时，负载输出功率维持在最大水平；输出电压调节装置对无线电能接收装置的输出进行AC-DC变换或AC-DC-AC变换以给负载供电。该发明实现了三谐振线圈无线电能传输系统的最大功率输出，适合于电动汽车等中大功率的无线充电系统。
【专利说明】三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法。
【背景技术】
[0002]2006年，麻省理工学院(MIT)的研究人员利用物理的共振原理成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验成为了无线电能传输技术的一个新突破，实现了中等距离的全方位的无线电能传输，并掀起了全世界无线电能传输研究的热潮。
[0003]其实早在MIT实验成功的100多年前，美国发明家特斯拉(Nicola Tesla)就实现了类似的技术，但此后的很长时间内，无线电能传输技术发展缓慢。
[0004]MIT实验成功后，世界各国的研究人员对谐振耦合无线电能传输进行了大量深入的研究，对系统的建模和最大功率、最大效率控制方法取得了卓有成效的研究成果。在实现最大功率或最大效率的方法上有自动阻抗匹配方法和自动频率跟踪方法，这两种方法的可行性已经在实验中得到验证。
[0005]但目前的最大功率控制方法大部分是基于谐振耦合无线电能传输系统失谐问题进行控制的，例如采用锁相环(PLL)技术，也有对谐振耦合无线电能传输系统本身的频率分裂现象进行控制的。基于锁相环(PLL)技术的控制方法只能在小范围内对输出功率进行调节，系统一旦远远偏离谐振频率时，控制方法失去作用。基于频率分裂现象的控制方法是对系统本身的特性进行控制，具有较好的性能，但目前此控制方法的分析还不够全面，无法应用于本发明所提及的三谐振线圈模型。另外，对于其他的补偿电容矩阵或可调电容来进行调节频率的方法，增加了系统结构和控制的复杂性。并且，谐振耦合无线电能传输系统通常采用四谐振线圈模型，这种接收端为两个线圈的情况在实际使用中存在极大的不方便，因此可以省去一个负载线圈；而发射端由于可以固定在某个位置，采用两个线圈是可以实现的。因此，采用三谐振线圈的无线电能传输系统更加具有实用性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，实现在一定距离内无线电能传输系统的最大功率传输。
[0007]本发明通过如下技术方案实现:
[0008]三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，所述三谐振线圈无线电能系统包括频率可调功率源、无线电能传输装置和负载，所述无线电能传输装置包括无线电能发射装置、无线电能接收装置和输出电压调节装置；其特征在于通过无线电能传输接收装置反馈信号给频率控制器以得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而频率控制器根据工作频率与传输距离之间的关系调节可调频率功率源的频率，使无线电能传输装置在传输距离变化时，负载输出功率维持在最大水平；所述输出电压调节装置对无线电能接收装置的输出进行AC-DC变换或AC-DC-AC变换以给负载供电。[0009]进一步的，无线电能传输装置采用谐振耦合的方式实现。
[0010]进一步的，无线电能传输接收装置发送红外信号给频率控制器，频率控制器根据无线电能传输接收装置反馈的信号得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而根据控制频率与传输距离的关系通过DSP或FPGA编程实现对频率可调功率源进行频率调节。
[0011]与现有技术相比，本发明具有如下优点:采用谐振耦合方式实现无线电能传输，实现系统频率的自动调节，在同样传输距离内实现最大功率的传输，并维持在稳定的水平。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明方案的示意图。
[0013]图2为本发明方案频率可调功率源的具体实施电路图。
[0014]图3为三谐振线圈无线电能传输系统示意图。
[0015]图4为三谐振线圈模型的等效电路图。
[0016]图5为三谐振线圈模型的频率f与耦合系数k关系的频率分裂图。
[0017]图6为有频率调节和固定频率的S参数与耦合系数k的关系曲线图。
具体实施方案
[0018]以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。
[0019]实施例1
[0020]图1为本发明方案的示意图。图2为本发明方案频率可调功率源的具体实施电路图，包括一个开关管S,第一电容Ctl,第二电容C,第一电感Ltl,第二电感L和负载R。
[0021]图3是本发明三谐振线圈无线电能传输系统的示意图。无线电能传输发射装置由谐振线圈I和谐振线圈2组成，无线电能传输接收装置由谐振线圈3组成。以下以此模型为例，说明本发明的控制方法。
[0022]图4为本发明三谐振无线电能传输系统示意图的简化等效电路模型(不考虑谐振线圈I和3之间的耦合)。图4中，Rs为源内阻，&为负载电阻，谐振线圈I等效为电感U、电容C1和线圈内阻R1,谐振线圈2等效为电感L2、电容C2和线圈内阻R2,谐振线圈3等效为电感L3、电容C3和线圈内阻R3。
[0023]电路模型的参数为:源内阻:RS=50Q ;负载电阻:Rl=50Q ;线圈电感I1=I μ H，L2=L3=20 μ H ;电容:^=253--, C2=C4=12.67pF ;线圈内阻=R1=0.2Ω，R2=R3=0.5 Ω ;耦合系数
k12=0.1o
[0024]根据基尔霍夫电压定律，得:
【权利要求】
1.三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，所述三谐振线圈无线电能系统包括频率可调功率源(I )、无线电能传输装置(2 )和负载(3 )，所述无线电能传输装置(2 )包括无线电能发射装置、无线电能接收装置和输出电压调节装置；其特征在于通过无线电能传输接收装置反馈信号给频率控制器(4)以得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而频率控制器(4)根据工作频率与传输距离之间的关系调节可调频率功率源(I)的频率，使无线电能传输装置(2)在传输距离变化时，负载(3)输出功率维持在最大水平；所述输出电压调节装置对无线电能接收装置的输出进行AC-DC变换或AC-DC-AC变换以给负载(3)供电。
2.根据权利要求1所述的三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，其特征在于无线电能传输装置(2)采用谐振耦合的方式实现。
3.根据权利要求1所述的三谐振线圈无线电能传输系统最大功率控制方法，其特征在于无线电能传输接收装置发送红外信号给频率控制器(4)，频率控制器(4)根据无线电能传输接收装置反馈的信号得到无线电能传输接收装置的位置信号，从而根据控制频率与传输距离的关系通过DSP或FPGA编程实现对频率可调功率源(I)进行频率调节。
【文档编号】H02J17/00GK103812229SQ201310629569
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2013年11月28日 优先权日:2013年11月28日
【发明者】张波, 黄润鸿, 丘东元 申请人:华南理工大学