基于动态耦合系数识别的WPT系统及最大效率跟踪方法与流程

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及基于动态耦合系数识别的wpt系统及最大效率跟踪方法。

背景技术：

无线电能传输系统(wpt系统)是一个松散耦合系统，当初级侧和次级侧之间存在相对运动时，耦合系数会随机变化，耦合系数的变化将直接影响最大效率的跟踪性能。suyugang等提出了一种通过开关电容来识别耦合系数的方法，但是需要两侧的参数，这在实际情况下较难实现。daitakobayashi等提出了一种动态识别耦合系数的方法，只需要次级侧参数，但整流器电流具有高次谐波，因此测量可能增加复杂性和不确定性。daixin等提出了一种最大效率跟踪下的动态耦合系数识别方法，利用耦合系数与buck-boost电路占空比变化量之间的关系实时估计耦合系数，但这种关系建立在方程近似线性化的基础上，与真实值相比存在误差。本发明专利探讨了无线电能传输(wirelesspowertransfer,wpt)系统在实际应用中有关最大传输效率的关键性问题，考虑到wpt系统是一种松散耦合系统，耦合系数因发射端和接收端的相对运动而变化，仅仅从固定耦合条件下的频率跟踪、负载阻抗匹配、系统参数等方面研究，较难实现最大效率跟踪控制。为使系统保持在最大效率点，本发明提出了基于动态耦合系数识别的wpt系统及最大效率跟踪方法。

技术实现要素：

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于动态耦合系数识别的wpt系统及最大效率跟踪方法，可以根据电路参数实时准确的识别耦合系数，从而更加精确的匹配阻抗电路，从而实现系统的最大效率跟踪，同时本发明还实现了输出恒压控制。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供基于动态耦合系数识别的wpt系统，所述wpt系统包括发射端和接收端，所述发射端与所述接收端分别连接有控制器；

所述发射端包括buck-boost转换模块、高频逆变模块以及发射线圈；

所述buck-boost转换模块连接48v稳压电源，变压后输出；

所述高频逆变模块，接收buck-boost转换模块输出的直流电，转变成高频交流电后输出；

所述接收端包括接收线圈、阻抗匹配网络模块以及整流电路模块；所述接收线圈与所述射端的发射线圈构成谐振电路；

所述阻抗匹配网络模块与所述接收线圈相连；

所述整流电路模块与阻抗匹配网络模块相连，进行整流，为负载电阻rl提供负载电压ul。

优选的，所述发射线圈由谐振电容c1和发射线圈l1串联组成；

所述接收线圈由谐振电容c2和接收线圈l2串联组成，所述接收线圈的谐振频率与所述发射线圈的谐振频率相同，所述发射线圈与所述接收线圈构成谐振电路；

所述阻抗匹配网络模块为cb1、cb2以及电感lb组成的t型阻抗匹配网络；

所述整流电路模块为整流二极管d1-d4构成的全桥整流，所述整流电路模块上设有整流桥滤波电容c3，用于促使负载电压ul趋于平滑；整流电路模块直接连接负载电阻rl

基于动态耦合系数识别的wpt系统的最大效率跟踪方法，步骤如下：

s1：当发射端和接收端之间建立通信时，发射端控制器将初始化命令发送到接收端，并将初始设定值传送至接收端控制器；

s2：接收端控制器实时采集负载电阻rl对应的负载电压ul和负载电流il，从而监测负载电阻rl和负载电压ul是否有变化，并将这些检测值反馈到发射端控制器；同时发射端控制器采集发射端输出电压u1和谐振电流i1，实时计算耦合系数k；

s3：当rl变化时，发射端控制器根据实时获得的耦合系数k，确定出最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，然后通过对阻抗匹配网络进行调整，使得当前的谐振电路的负载等效电阻达到最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，同时对buck-boost转换模块的占空比d的调整，确保负载电压ul等于设备需求电压ul_req，以确保传输系统获得最大传输效率ηmax；

当rl不变，判断负载电压ul是否存在变化，若负载电压ul存在变化，说明耦合系数k发生了变化，发射端控制器实时获取耦合系数k，确定出最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，然后通过对阻抗匹配网络进行调整，使得当前的谐振电路的负载等效电阻达到最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，同时对buck-boost转换模块的占空比d的调整，确保负载电压ul等于负载需求电压ul_req，以确保传输系统获得最大传输效率ηmax。

本发明的有益效果在于：针对wpt系统是一个松散耦合系统，当初级侧和次级侧之间存在相对运动时，耦合系数会随机变化，耦合系数的变化将直接影响最大效率的跟踪性能；为确保wpt系统工作在最大效率点，本发明可以根据电路参数实时准确的识别耦合系数，从而更加精确的匹配阻抗电路，从而实现系统的最大效率跟踪，同时本发明还实现了输出恒压控制；因此，本发明专利对无线充电系统最大传输效率设计具有十分重要的实用意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实无线电能传输系统的示意图；

图2为本发明实无线电能传输系统动态耦合系数估计下的最大效率跟踪控制主电路图；

图3为谐振电路的示意图；

图4为本发明实无线电能传输系统最大效率跟踪下控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1和图2所示，本发明提供了基于动态耦合系数识别的wpt系统，该系统包括发射端和接收端，所述发射端与所述接收端分别连接有控制器，控制器为单片机，所述发射端和48v稳压电源相连，所述接收端为负载提供电能，所述发射端包括buck-boost转换模块、高频逆变模块以及发射线圈，所述接收端包括接收线圈、阻抗匹配网络模块以及整流电路模块；

所述buck-boost转换模块通过调整占空比d将48v稳压电源生成所需电压，输出后连接高频逆变模块；

所述高频逆变模块将buck-boost转换模块输出的直流电转变成高频交流电，逆变频率为100khz，所述高频逆变模块连接发射线圈；

所述发射线圈由谐振电容c1和发射线圈l1串联组成；

所述接收线圈由谐振电容c2和接收线圈l2串联组成，所述接收线圈的谐振频率与所述发射线圈的谐振频率相同，接收线圈与发射线圈结构相同，所述发射线圈与所述接收线圈构成谐振电路；所述接收线圈连接阻抗匹配网络模块；

所述阻抗匹配网络模块为cb1、cb2和电感lb组成的t型阻抗匹配网络；所述阻抗匹配网络模块连接整流电路模块；

所述整流电路模块为整流二极管d1-d4构成的全桥整流，所述整流电路模块上设有整流桥滤波电容c3，用于促使负载电压ul趋于平滑；整流电路模块直接连接负载电阻rl。

如图3所示，为所述发射线圈与所述接收线圈构成的谐振电路，其中u1为电能传输系统经过高频逆变电路之后的等效电压源，为发射端输出电压，i1、i2分别为发射端和接收端的谐振电流；l1为发射线圈电感，l2为接收线圈电感，c1、c2为发射端和接收端对应的谐振补偿电容，m为发射线圈和接收线圈之间的互感；两个线圈磁耦合的紧密程度由耦合系数k表示，r1、r2为发射线圈和接收线圈的等效电阻，ri为负载侧等效电阻。

基于动态耦合系数识别的wpt系统的最大效率跟踪方法，步骤如下：

s1：当发射端和接收端之间建立通信时，发射端控制器将初始化命令发送到接收端，并将初始设定值传送至接收端控制器；其中初始设定值如下表：

s2：接收端控制器实时采集负载电阻rl对应的负载电压ul和负载电流il，从而监测负载电阻rl和负载电压ul是否有变化，并将这些检测值反馈到发射端控制器；同时发射端控制器采集发射端输出电压u1和谐振电流i1，实时计算耦合系数k；其中耦合系数m为发射线圈和接收线圈之间的互感，l1为发射线圈电感，l2为接收线圈电感，由于发射线圈与接收线圈结构相同，因此令l1＝l2＝l；

s3：当rl变化时，发射端控制器根据实时获得的耦合系数k，确定出最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，然后通过对阻抗匹配网络进行调整，使得当前的谐振电路的负载等效电阻达到最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，同时对buck-boost电路的占空比d的调整，确保负载电压ul等于设备需求电压ul_req，以确保传输系统获得最大传输效率ηmax；

当rl不变，判断负载电压ul是否存在变化，若负载电压ul存在变化，说明耦合系数k发生了变化，发射端控制器实时获取耦合系数k，确定出最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，然后通过对阻抗匹配网络进行调整，使得当前的谐振电路的负载等效电阻达到最佳负载侧等效电阻ri-ηmax，同时对buck-boost电路的占空比d的调整，确保负载电压ul等于负载需求电压ul_req，以确保传输系统获得最大传输效率ηmax。

在本步骤中，根据基尔霍夫电压定律对等效模型列回路方程可得：

其中为i1和i2的有效值，z1和z2为发射端和接收端的等效阻抗，ω为谐振角频率，二者满足：

由于发射线圈与接收线圈结构相同，因此令c1＝c2＝c，r1＝r2＝r；因此谐振频率ω＝2πf，可获得谐振频率f和谐振角频率ω；

基于公式(1)和(2)，可计算出两侧的电流值为：

当发生谐振时，即z1＝r，z2＝r+ri，该系统的输入功率pin和ri端输出功率pout可计算得：

其中，u1为发射端输出电压u1的有效值，由式(4)可计算出传输效率η：

通过对公式(5)的ri的求导，可得到传输效率最大化的最优负载条件为：

将式(6)带入式(5)，可计算出输出最大传输效率ηmax为：

进一步的，在本步骤中，通过对buck-boost电路的占空比d的调整，确保负载电压ul等于负载需求电压ul_req；假定ul_req给定的公差带电压为±δu，如果ul小于ul_req-δu，增加占空比d；若ul大于ul_req+δu，减小占空比d；在公差带范围内，d保持不变；

假定阻抗匹配网络模块的等效输出阻抗zr＝rr+jxr(zr等同于整流电路模块的等效输入阻抗，式中，rr为全桥整流性负载的等效电阻，xr为全桥整流性负载的寄生电抗)，其值随负载电阻rl变化而变化；现引入xs作为匹配阻抗变量，谐振电路的等效输出阻抗zi可计算出(等同于阻抗匹配网络模块的等效输入阻抗)：

可以得到接收端阻抗zs为：

发射端谐振电路电压u1的rms值u1为：

发射端谐振电路电流i1的rms值i1为：

其中zref是接收端通过线圈互感反映到发射端的阻抗，它满足zref＝ω²m²/zs；

阻抗匹配网络模块的输入电压u2的rms值u2为：

然后，负载rl输出的直流电压ul的有效值可计算为：

耦合系数k与ul之间的关系可由(13)式中计算得到:

其中

根据公式(14)，基于一个输出电压ul的情况可得到耦合系数k的两个值，从两种解中分离出真值解的方法效率低，实际应用中有难度，本发明改变以往耦合系数估计的思路，当负载电阻或耦合系数变化时，d自动调节输出电压ul；假设rl不变，那么当k变化时，结合公式(11)，发射端u1/i1必然改变；因此，耦合系数k可以结合公式(11)进行实时计算，推算过程如下

由公式(15)可推出：

结合式(16)对耦合系数k实时识别，可实现最大的效率跟踪。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。