一种基于可控电感的ipt系统原边功率调节方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法及系统，该功率调节方法包括如下步骤：组建电压型IPT系统，其原边谐振电感包括N匝线圈，第n匝线圈串联有一个线圈控制开关Kn，控制器内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值；控制器求取等效负载阻抗并依据等效负载阻抗与原边谐振电感最优值的对应关系获得原边谐振电感的最优值，并控制线圈控制开关Kn的导通和切断，实现原边谐振电感的调节。本发明根据负载的大小调节接入电路中原边电路的线圈匝数，调节原边谐振电感的大小以及线圈实际工作的有效面积和磁通面积，在不同负载工作时，使IPT系统既能实现系统的效率最优，又能最大限度减小电磁辐射。
【专利说明】—种基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及IPT (Inductively Power Transfer,感应电能传输)系统的功率调节技术，具体涉及一种基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法及系统。
【背景技术】
[0002]IPT技术开创了电源接入新方式，越来越广泛地受到学术界的关注，已成为电工领域的研究热点。具有较强实用性的IPT系统通用供电平台正是目前的重要应用方向之一。通用IPT系统供电平台具有一路能量发射机构(原边)和多路拾取机构(副边)和用电设备，其中每一路拾取机构均安装于相应的用电设备中，不同用电设备具有不同功率等级。当不同功率等级负载(用电设备)切换时，IPT系统的参数，例如副边对原边的反射阻抗、耦合系数等会发生变化，从而影响系统的传输效率，因此负载切换时需采取相应措施确保系统高效稳定运行。
[0003]在现有的IPT系统中，有一种方法是通过控制系统原边电容阵列的大小而控制系统传输效率，如图1所示，其工作原理为原边谐振电路上连接有频率检测器，该频率检测器的输入端连接在原边谐振电容与激励线圈之间，其输出端输出原边谐振频率值Π到控制器的第一输入端，该控制器的第二输入端输入系统设定谐振频率值f0，控制器的输出控制端与并联电容阵列相连，该并联电容阵列并联在原边谐振电容上，控制器根据fi与f0控制并联电容阵列的电容值。在这种调节方法中，当IPT系统的负载功率等级在大范围内变化时，原边的电容阵列必须由大量电容组成，每一电容都与控制开关相连，这大大增加了电路的体积。另外，IPT系统工作于高频模式，电磁辐射是家用电器工作时必须考虑的重要问题，由于不同用电设备的体积大小不同，如果使得原边发射线圈的大小固定不变，底座面积较小的负载工作时，原边线圈将产生较大的电磁辐射，该电容电路调节方法并没有考虑到系统对周围环境的电磁辐射问题。
【发明内容】
[0004]为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法及系统，能够准确识别IPT系统的负载并根据负载大小调整原边线圈实际工作的电感值以及有效面积，减少原边能量的浪费，既能实现系统的效率最优，又能最大限度减小电磁辐射。
[0005]为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法，包括如下步骤:
[0006]S1:组建电压型IPT系统，所述电压型IPT系统由原边电路和副边电路组成；
[0007]所述原边电路设置有全桥逆变器，所述全桥逆变器的电源端连接直流电源，输出端与原边谐振电感Lp、原边补偿电容Cp相连组成一个串联回路，所述原边补偿电容Cp包括并联的第一电容Cl和第二电容C2，所述第二电容C2由电容选择开关S控制实现接通和切断，所述电容选择开关S与控制器相连，由控制器控制电容选择开关S的通断；[0008]所述控制器内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值，所述原边谐振电感最优值是在原边补偿电容Cp为第一电容Cl、原边功率输出效率满足设计要求时，对应于所述等效负载阻抗的电感值；
[0009]所述原边谐振电感Lp包括N匝线圈，所述第η匝线圈串联有一个线圈控制开关Κη，所述线圈控制开关Kn与所述控制器相连，由控制器控制实现通断，其中，所述N为正整数，所述n=1、2、…、Ν-1、Ν;
[0010]所述原边电路还设置有电流检测装置，所述电流检测装置与所述原边谐振电感Lp串联，所述电流检测装置还与所述控制器相连，所述电流检测装置用于检测所述原边谐振电感Lp内的电流并将所述电流传输给所述控制器；
[0011]所述副边电路包括至少一个副边子电路，所述第m个副边子电路由副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs、负载阻抗Zta组成，所述副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs和负载阻抗zlm三者依次相连组成一个串联回路，在同一时刻，只有一个副边子电路工作，所述m为正整数；
[0012]S2:控制器切断电容选择开关S，使第一电容Cl接入原边电路，直流电源对原边电路进行直流供电，使所述原边电路进入谐振状态；
[0013]S3:电流检测装置检测原边电路的电流并将所述电流传输给所述控制器，所述控制器获取所述原边电路电流的第一有效值与第一工作频率；
[0014]S4:控制器闭合电容选择开关S，使第一电容Cl和第二电容C2并联后接入原边电路，直流电源对原边电路进行直流供电，控制器调节逆变器的工作频率使原边电路进入谐振状态；
[0015]S5:电流检测装置检测原边电路的电流并将所述电流传输给所述控制器，所述控制器获取所述原边电路电流的第二有效值与第二工作频率；
[0016]S6:控制器根据所述原边电路电流的第一有效值、第二有效值以及对应工作频率建立阻抗方程，求取等效负载阻抗\ ;
[0017]S7:控制器切断电容选择开关S，使第一电容Cl接入原边电路，所述控制器根据等效负载阻抗\的值，依据等效负载阻抗与原边谐振电感最优值的对应关系获得原边谐振电感的最优值，并控制线圈控制开关Kn的导通和切断，实现原边谐振电感的调节。
[0018]本发明通过改变原边补偿电容的大小，使原边工作在两种不同的谐振频率下，通过建立反射阻抗方程，实现负载准确识别，同时，根据负载的大小调节接入电路中原边电路的线圈匝数，调节原边谐振电感的大小以及线圈实际工作的有效面积和磁通面积，在不同负载工作时，使IPT系统既能实现系统的效率最优，又能最大限度减小电磁辐射。
[0019]为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于可控电感的IPT系统原边功率调节系统，包括电压型IPT系统和控制器；所述电压型IPT系统由原边电路和副边电路组成；所述原边电路设置有全桥逆变器，所述全桥逆变器的电源端连接直流电源，输出端与原边谐振电感Lp、原边补偿电容Cp相连组成一个串联回路，所述原边补偿电容Cp包括并联的第一电容Cl和第二电容C2，所述第二电容C2由电容选择开关S控制实现接通和切断，所述电容选择开关S与控制器相连，由控制器控制电容选择开关S的通断；所述控制器内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值；所述原边谐振电感Lp包括N匝线圈，所述第η匝线圈串联有一个线圈控制开关Κη，所述线圈控制开关Kn与所述控制器相连，由控制器控制实现通断，其中，所述N为正整数，所述n=l、
2、-,N-UN ;所述原边电路还设置有电流检测装置，所述电流检测装置与所述原边谐振电感Lp串联，所述电流检测装置还与所述控制器相连，所述电流检测装置用于检测所述原边谐振电感Lp内的电流并将所述电流传输给所述控制器；所述副边电路包括至少一个副边子电路，所述每一个副边子电路由副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs、负载阻抗Zta组成，所述副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs和负载阻抗Zta三者依次相连组成一个串联回路，在同一时刻，只有一个副边子电路工作；所述电流检测装置包括谐振电流频率检测单元、谐振电流有效值采样单元和谐振电流过零采样单元，所述谐振电流频率检测单元用于检测原边电流的谐振频率，所述谐振电流有效值采样单元和谐振电流过零采样单元分别对原边电路的电流波形进行有效值采样和电流过零采样；所述控制器的输入端与所述电流检测装置的输出端相连，所述控制器包括频率调节单元、负载识别单元和电感控制单元，所述谐振电流过零采样单元的输出端与所述频率调节单元的输入端相连，所述频率调节单元的输出端与全桥逆变器相连，所述频率调节单元根据所述谐振电流过零采样单元采集的电流过零信号调节全桥逆变器输出的电压频率使原边电路进入谐振状态，所述负载识别单元分别与所述谐振电流频率检测单元和谐振电流有效值采样单元相连，用于建立阻抗方程，对负载进行识别；所述电感控制单元与所述负载识别单元相连，所述电感控制单元还分别与线圈控制开关Kn相连，所述电感控制单元内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值，所述电感控制单元根据等效负载阻抗\的值，依据所述等效负载阻抗与原边谐振电感最优值的对应关系获得原边谐振电感的最优值，并控制线圈控制开关Kn的导通和切断，实现原边谐振电感的最优值调节。
[0020]本发明的基于可控电感的IPT系统原边功率调节系统能够实现负载的准确检测，并根据负载的值通过线圈控制开关Kn控制接入电路中原边电路的线 圈匝数，调节原边谐振电感的大小以及线圈实际工作的有效面积和磁通面积，在不同负载工作时，使IPT系统既能实现系统的效率最优，又能最大限度减小电磁辐射。
[0021]在本发明的一种优选实施方式中，所述根据第一有效值、第二有效值以及对应工作频率建立的阻抗方程为:
[0022]
【权利要求】
1.一种基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法，其特征在于:包括如下步骤: 51:组建电压型IPT系统，所述电压型IPT系统由原边电路和副边电路组成； 所述原边电路设置有全桥逆变器，所述全桥逆变器的电源端连接直流电源，输出端与原边谐振电感Lp、原边补偿电容Cp相连组成一个串联回路，所述原边补偿电容Cp包括并联的第一电容Cl和第二电容C2，所述第二电容C2由电容选择开关S控制实现接通和切断，所述电容选择开关S与控制器相连，由控制器控制电容选择开关S的通断； 所述控制器内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值，所述原边谐振电感最优值是在原边补偿电容Cp为第一电容Cl、原边功率输出效率满足设计要求时，对应于所述等效负载阻抗的电感值； 所述原边谐振电感Lp包括N匝线圈，所述第η匝线圈串联有一个线圈控制开关Κη，所述线圈控制开关Kn与所述控制器相连，由控制器控制实现通断，其中，所述N为正整数，所述 η=1、2、...、Ν-1、Ν; 所述原边电路还设置有电流检测装置，所述电流检测装置与所述原边谐振电感Lp串联，所述电流检测装置还与所述控制器相连，所述电流检测装置用于检测所述原边谐振电感Lp内的电流并将所述电流传输给所述控制器； 所述副边电路包括至少一个副边子电路，所述每一个副边子电路由副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs、负载阻抗Zta组成，所·述副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs和负载阻抗Zta三者依次相连组成一个串联回路，在同一时刻，只有一个副边子电路工作，所述m为正整数； 52:控制器切断电容选择开关S，使第一电容Cl接入原边电路，直流电源对原边电路进行直流供电，使所述原边电路进入谐振状态； 53:电流检测装置检测原边电路的电流并将所述电流传输给所述控制器，所述控制器获取所述原边电路电流的第一有效值与第一工作频率； 54:控制器闭合电容选择开关S,使第一电容Cl和第二电容C2并联后接入原边电路，直流电源对原边电路进行直流供电，控制器调节逆变器的工作频率使原边电路进入谐振状态； 55:电流检测装置检测原边电路的电流并将所述电流传输给所述控制器，所述控制器获取所述原边电路电流的第二有效值与第二工作频率； 56:控制器根据所述原边电路电流的第一有效值、第二有效值以及对应工作频率建立阻抗方程，求取等效负载阻抗\ ； 57:控制器切断电容选择开关S，使第一电容Cl接入原边电路，所述控制器根据等效负载阻抗\的值，依据等效负载阻抗与原边谐振电感最优值的对应关系获得原边谐振电感的最优值，并控制线圈控制开关Kn的导通和切断，实现原边谐振电感的调节。
2.如权利要求1所述的基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法，其特征在于:所述电流检测装置的输入端与原边电路相连，所述电流检测装置包括谐振电流频率检测单元、谐振电流有效值采样单元和谐振电流过零采样单元，所述谐振电流频率检测单元用于检测原边电流的谐振频率，所述谐振电流有效值采样单元和谐振电流过零采样单元分别对原边电路的电流波形进行有效值采样和电流过零采样； 所述控制器的输入端与所述电流检测装置的输出端相连，所述控制器包括频率调节单元、负载识别单元和电感控制单元，所述谐振电流过零采样单元的输出端与所述频率调节单元的输入端相连，所述频率调节单元的输出端与全桥逆变器相连，所述频率调节单元根据所述谐振电流过零采样单元采集的电流过零信号调节全桥逆变器输出的电压频率使原边电路进入谐振状态，所述负载识别单元分别与所述谐振电流频率检测单元和谐振电流有效值采样单元相连，用于建立阻抗方程，对负载进行识别；所述电感控制单元与所述负载识别单元相连，所述电感控制单元还分别与线圈控制开关Kn相连，所述电感控制单元内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值，所述电感控制单元根据等效负载阻抗Zl的值，依据所述等效负载阻抗与原边谐振电感最优值的对应关系获得原边谐振电感的最优值，并控制线圈控制开关Kn的导通和切断，实现原边谐振电感的最优值调节。
3.如权利要求1所述的基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法，其特征在于:所述根据第一有效值、第二有效值以及对应工作频率建立的阻抗方程为:
4.一种利用权利要求1所述的基于可控电感的IPT系统原边功率调节方法进行功率调节的系统，其特征在于:包括电压型IPT系统和控制器； 所述电压型IPT系统由原边电路和副边电路组成； 所述原边电路设置有全桥逆变器，所述全桥逆变器的电源端连接直流电源，输出端与原边谐振电感Lp、原边补偿电容Cp相连组成一个串联回路，所述原边补偿电容Cp包括并联的第一电容Cl和第二电容C2，所述第二电容C2由电容选择开关S控制实现接通和切断，所述电容选择开关S与控制器相连，由控制器控制电容选择开关S的通断； 所述控制器内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值； 所述原边谐振电感Lp包括N匝线圈，所述第η匝线圈串联有一个线圈控制开关Κη，所述线圈控制开关Kn与所述控制器相连，由控制器控制实现通断，其中，所述N为正整数，所述 n=l、2、-,N-UN ； 所述原边电路还设置有电流检测装置，所述电流检测装置与所述原边谐振电感Lp串联，所述电流检测装置还与所述控制器相连，所述电流检测装置用于检测所述原边谐振电感Lp内的电流并将所述电流传输给所述控制器； 所述副边电路包括至少一个副边子电路，所述每一个副边子电路由副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs、负载阻抗Zldi组成，所述副边谐振电感Ls、副边补偿电容Cs和负载阻抗Zta三者依次相连组成一个串联回路，在同一时刻，只有一个副边子电路工作，所述m为正整数； 所述电流检测装置包括谐振电流频率检测单元、谐振电流有效值采样单元和谐振电流过零采样单元，所述谐振电流频率检测单元用于检测原边电流的谐振频率，所述谐振电流有效值采样单元和谐振电流过零采样单元分别对原边电路的电流波形进行有效值采样和电流过零采样； 所述控制器的输入端与所述电流检测装置的输出端相连，所述控制器包括频率调节单元、负载识别单元和电感控制单元，所述谐振电流过零采样单元的输出端与所述频率调节单元的输入端相连，所述频率调节单元的输出端与全桥逆变器相连，所述频率调节单元根据所述谐振电流过零采样单元采集的电流过零信号调节全桥逆变器输出的电压频率使原边电路进入谐振状态，所述负载识别单元分别与所述谐振电流频率检测单元和谐振电流有效值采样单元相连，用于建立阻抗方程，对负载进行识别；所述电感控制单元与所述负载识别单元相连，所述电感控制单元还分别与线圈控制开关Kn相连，所述电感控制单元内预设有一一对应的等效负载阻抗与原边谐振电感最优值，所述电感控制单元根据等效负载阻抗Zl的值，依据所述等效负载阻抗与原边谐振电感最优值的对应关系获得原边谐振电感的最优值，并控制线圈控制开关Kn的导通和切断，实现原边谐振电感的最优值调节。
5.如权利要求4所述的电压型无线供电系统负载识别系统，其特征在于:所述原边电路上还安装有电流互感器，所述电流互感器用于获取原边电路谐振状态的电流波形，所述电流互感器的输出端与所述谐振电流频率检测单元、所述谐振电流有效值值采样单元和谐振电流过零采样单元的输入端相.连。
【文档编号】H02M7/48GK103441581SQ201310361442
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】周柯, 唐春森, 李珊, 高立克, 祝文姬, 吴智丁, 吴丽芳, 吴剑豪, 俞小勇, 李克文, 苏玉刚, 戴欣, 孙跃, 叶兆虹, 王智慧 申请人:广西电网公司电力科学研究院, 重庆大学