一种负载在线识别的无线电能传输系统及负载识别方法与流程

本发明涉及一种无线电能传输系统，尤其适用于无线充电领域中使用的负载在线识别的无线电能传输系统及负载识别方法。

背景技术：

传统的电能传输方式即通过电缆等连接装置将电能从电网传送到用电设备。传统的电能传输需要供电设备和用电设备之间有直接的物理连接，而这种连接会因为经常性的受到摩擦和裸露在外而产生电火花或破损，这不仅大大缩短电气设备的使用寿命，并且严重威胁到供电的安全性，尤其在煤矿，水下等电气环境恶劣的场合，甚至会造成重大的安全事故。因而，在这种市场需求下，无线电能传输技术应运而生。无线电能传输技术，顾名思义，供电设备与用电设备之间不再需要电缆等电连接器相连接，很大程度上解决了传统电能传输技术的不足。目前研究最多的是基于电磁感应耦合原理的感应耦合电能传输(ICPT)技术。随着研究的深入，研究学者们逐渐关注到了感应耦合系统的负载适应性。但是，由于目前在无线电能传输领域中对功率、效率、系统稳定性以及系统建模等方面的研究都是基于负载已知的基础上，然而并非所有系统的负载均为已知，而且无线电能传输系统的负载存在可变和未知特性，负载的变化会使系统的工作频率发生漂移，偏离系统的谐振频率范围，使得系统的稳定性变差，从而给ICPT系统的研究造成了一定的困难。

为解决这个难题，目前采用的方法多为根据能量守恒定律，由原副边的能量公式得到负载大小，但是由于能量的不可见性，而且此法忽略的因素较多，所以由此法算得的负载值并不十分精确。例如，文献《感应电能传输系统参数辨识与恒流控制》通过测得系统原边谐振电压和电流的波形过零点，根据过零点系统储存能量相等测得系统的负载大小，但是这种方法由于过零点准确性的问题，测得的阻抗并不精确；文献《非接触电能传输系统的负载识别算法》根据负载性质不同时应用不同的系统模型来算出负载的大小，但是次级回路的拾取磁芯与初级回路导轨线圈之间的耦合程度以及导轨线圈的等效电阻和系统的谐振频率的变化都会影响对负载的识别，所以对负载的识别精度有一定的影响。另外，目前已有的无线电能传输系统负载识别算法普遍存在的缺陷在于：在负载识别的同时，无法进行功率的传输，即负载识别与功率传输两种工作状态不可同时进行，无法动态识别负载。

技术实现要素：

针对上述技术的不足之处，提供一种识别精度较高，电路结构简单，而且能够实现负载在正常供电模式下负载的动态识别，无需考虑原边电压、电流过零点，直接对副边电流进行准确测量，就可以算出负载的大小，实现无线电能传输系统负载的在线识别。

为实现上述技术目的，本发明的负载在线识别的无线电能传输系统包括：直流电源、高频逆变器、原边基波能量发射模块、原边谐波能量发射模块、副边能量接收模块、系统负载、副边信号处理与发射模块、原边信号接收与处理模块、选择开关Ⅰ和选择开关Ⅱ；

直流电源与高频逆变器的输入端相连接，高频逆变器的输出端分别与原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块的输入端相连接，原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块与副边能量接收模块分别构成基波和谐波能量无线传输通道，副边能量接收模块与系统负载相连接，将能量以无线的方式传递给系统负载，副边信号处理与发射模块用以采集系统负载的瞬时电压和电流，并将检测到的信号通过无线的方式发送给原边信号接收与处理模块，原边信号接收和处理模块将采集到的信号转换成驱动信号控制高频逆变器；

其中原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块并行连接在高频逆变器的输出端，分别在基波频率和3次谐波频率下发生谐振，形成基波和三次谐波能量传输通道，根据作用在副边能量接收模块上的感应电压和由副边信号处理与发射模块检测出的负载电压和电流信号，建立关于负载阻值和电抗的方程组，从而计算出系统负载的大小，再由原边信号接收和处理模块将负载信息传递到高频逆变器，通过驱动高频逆变器进行后续的功率控制，电压调节等。

所述高频逆变器采用全桥逆变电路，以获得更大的功率输出。

所述原边基波能量发射模块由基波线圈电感L_a1、基波谐振补偿电容C_p1、基波电容C₁和原边基波磁能发射线圈L_p1构成，原边基波磁能发射线圈L_p1与基波电容C₁串联，再与基波谐振补偿电容C_p1并联，最后与基波线圈电感L_a1串联在高频逆变器的输出端。

所述原边谐波能量发射模块由谐波线圈电感L_a3、谐波谐振补偿电容C_p3、谐波电容C₃和原边谐波磁能发射线圈L_p3构成，原边谐波磁能发射线圈L_p3与谐波电容C₃串联，再与谐波谐振补偿电容C_p3并联，最后与谐波线圈电感L_a3串联在高频逆变器的输出端。

所述副边能量接收模块包括顺序连接的副边基波磁能拾取线圈L_s1、副边谐波磁能拾取线圈L_s3和副边补偿电容C_s1。

所述的副边信号处理与发射模块包括顺序连接的电压电流检测电路、芯片DSP1和射频发射模块RF₁，电压电流检测电路用以检测系统负载的电压电流相位及大小信息；原边信号接收与处理模块包括顺序连接的射频接收模块RF₂，接收射频发射模块RF₁传递的负载信息，芯片DSP2和驱动电路，用以驱动逆变器来进行后续对高频逆变器的功率控制和电压调节等。

一种负载在线识别的无线电能传输负载识别方法，其步骤如下：

a.断开选择开关Ⅰ和选择开关Ⅱ，切出原边谐波能量发射模块，高频逆变器正常工作，原边基波能量发射模块中的原边基波磁能发射线圈L_p1和副边能量接收模块中的副边基波磁能拾取线圈L_s1相耦合，副边基波磁能拾取线圈L_s1接收来自原边基波能量发射模块中的能量并传递给系统负载；

b.利用副边信号处理和发射模块中的电压电流检测电路检测出系统负载上的瞬时电压和电流信号；

c.根据步骤b中检测出来的系统负载两端的电压电流的大小及其相位关系，利用副边信号处理与发射模块的芯片DSP1判断出系统负载的性质：若相位差为零，判断系统负载为纯阻性，若电压和电流相位差大于零，判断负载为阻感性，若电压和电流相位差小于零，判断负载为阻容性；

d.若系统负载为纯阻性时，利用公式：将副边信号处理和发射模块检测得的系统负载的电压U、电流I代入计算出系统负载的阻值R；

e.若系统负载为非纯阻性时，以阻感性负载为例，设系统负载(6)中的电阻为R，电感为L；闭合选择开关Ⅰ和选择开关Ⅱ，切入原边谐波能量发射模块，通过副边能量接收模块中的副边磁能拾取线圈L_s1和副边磁能拾取线圈L_s3接收来自原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块中的能量中并传递给系统负载，副边信号处理和发射模块检测系统负载的瞬时电流值，利用芯片DSP1对系统负载的电流I进行快速傅里叶变换FFT分解，通过分析得到系统负载电流中的基波电流值I_s1和三次谐波电流值I_s3；

f.由叠加定理可知，系统负载上分解出的基波和三次谐波电流可以看成由原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块两个通道单独作用产生，结合系统负载电流大小，利用叠加定理，建立关于电阻和感抗的方程组：根据该方程即可得到系统负载的电阻R值和电感L值；

式中，M₁为原边基波磁能发射线圈L_p1与副边基波磁能拾取线圈L_s1之间的互感，M₃为原边谐波磁能发射线圈L_p3和副边谐波磁能拾取线圈L_s3之间的互感，ωM₁I_P1和3ωM₃I_P3为原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块单独作用在副边能量接收模块上的感应电压，X为原边谐波能量发射模块单独工作时副边能量接收模块中的感抗值，其中

g.识别结束后，断开选择开关Ⅰ和选择开关Ⅱ，副边信号处理与发射模块将识别结果以无线的方式发送给原边信号接收和处理模块，进而反馈给高频逆变器，高频逆变器通过变频或者移相的方法可以调节输出的功率和电压。

当选择开关Ⅰ和选择开关Ⅱ闭合时，高频逆变器的输出端接入原边谐波能量发射模块，与原边基波能量发射模块并联连接，且满足：时，原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块形成基波和三次谐波提取通道；此时，其它参数需满足：

预设系统的耦合系数为k，系统原边磁能发射线圈和副边磁能接收线圈之间的互感值M为：

原边导轨电流I_p1、I_p3表达式为：U₁、U₃为基波和三次谐波电压有效值，U_d为逆变电路前端的直流电源，且满足：

有益效果，相比于传统的无线电能传输系统的负载识别方法，本方案解决了传统方法不精确，电路检测困难，计算方法复杂等问题，并且能够在主电路不切断的情况下直接识别出系统负载的性质和大小，即实现负载识别的功率传输的同时进行；而且本方案在当前谐波降低电能质量的大环境下，无需滤除谐波，有效利用谐波进行负载识别，提高了能量的利用率；同时由于原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块采用了LCCL无功补偿拓扑，既提高了系统的选频能力，又能够保持原边导轨电流恒定，简化了负载识别的过程。该系统采用谐波来进行负载识别，其步骤简单，能量利用率高，对负载识别精度高。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的逆变输出电压波形图；

图3是本发明的原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块电流波形；

图4是本发明的副边能量接收模块电流波形图；

图5是本发明某一负载下的副边能量接收模块电流FFT分析图；

图6是本发明负载识别效果对比表(给定负载和识别结果对比表)。

图中，1-直流电源；2-高频逆变器；3-原边基波能量发射模块；4-原边谐波能量发射模块；5-副边能量接收模块；6-系统负载；7-副边信号处理与发射模块；8-原边信号接收与处理模块；9-选择开关1；10-选择开关2

具体实施方式

下面结合附图对实施例做进一步说明：

如图1所示，本发明的负载在线识别的无线电能传输系统，包括直流电源1、高频逆变器2、原边基波能量发射模块3、原边谐波能量发射模块4、副边能量接收模块5、系统负载6、副边信号处理与发射模块7和原边信号接收与处理模块8、选择开关Ⅰ9和选择开关Ⅱ10；所述高频逆变器2采用全桥逆变电路，以获得更大的功率输出，

直流电源1与高频逆变器2的输入端相连接，高频逆变器2的输出端分别与原边基波能量发射模块3和原边谐波能量发射模块4的输入端相连接，由于LCCL无功补偿拓扑原边恒流和滤波效果较好的特点，使得基波和三次谐波通道作用在副边能量接收电路中的感应电压为恒定，因此只要测出副边电路的电流即可求出负载的大小，而且由原边电路的快速傅里叶变换FFT分析可知，该种无功拓扑图的滤波效果很好，基本不受其他频次的的波的影响；

原边基波能量发射模块3和原边谐波能量发射模块4与副边能量接收模块5构成基波和谐波能量无线传输通道，

所述原边基波能量发射模块3由基波线圈电感L_a1、基波谐振补偿电容C_p1、基波电容C₁和原边基波磁能发射线圈L_p1构成，原边基波磁能发射线圈L_p1与基波电容C₁串联，再与基波谐振补偿电容C_p1并联，最后与基波线圈电感L_a1串联在高频逆变器2的输出端；

所述原边谐波能量发射模块4由谐波线圈电感L_a3、谐波谐振补偿电容C_p3、谐波电容C₃和原边谐波磁能发射线圈L_p3构成，原边谐波磁能发射线圈L_p3与谐波电容C₃串联，再与谐波谐振补偿电容C_p3并联，最后与谐波线圈电感L_a3串联在高频逆变器2的输出端，

所述副边能量接收模块5包括顺序连接的副边基波磁能拾取线圈L_s1、副边谐波磁能拾取线圈L_s3和副边补偿电容C_s1；副边能量接收模块5与系统负载6相连接，将能量以无线的方式传递给系统负载6，副边信号处理与发射模块7用以采集系统负载6的瞬时电压和电流，并将检测到的信号通过无线的方式发送给原边信号接收与处理模块8，原边信号接收与处理模块8将采集到的信号转换成驱动信号控制高频逆变器2；

所述的副边信号处理与发射模块7包括顺序连接的电压电流检测电路、芯片DSP1和射频发射模块RF₁，电压电流检测电路用以检测系统负载6的电压电流相位及大小信息；原边信号接收与处理模块8包括顺序连接射频接收模块RF₂，接收射频发射模块传递的负载信息，芯片DSP2和驱动电路，用以驱动逆变器来进行高频逆变器2后续的功率控制和电压调节。

一种无线电能传输负载识别方法，其步骤如下：

a.选择开关断开，切出原边谐波能量发射模块，高频逆变器正常工作，原边基波能量发射模块中的原边基波磁能发射线圈L_p1和副边能量接收模块中的副边基波磁能拾取线圈L_s1相耦合，副边基波磁能拾取线圈L_s1接收来自原边基波能量发射模块中的能量并传递给系统负载；

b.利用副边信号处理和发射模块中的电压电流检测电路检测出系统负载上的瞬时电压和电流信号；

c.根据步骤b中检测出来的系统负载两端的电压电流的大小及其相位关系，由芯片DSP1判断出系统负载的性质；若相位差为零，说明系统负载为纯阻性，若电压和电流相位差大于零，说明负载为阻感性，若电压和电流相位差小于零，说明负载为阻容性；

d.若系统负载为纯阻性时，利用公式：将副边信号处理和发射模块检测得的系统负载的电压U、电流I代入计算出系统负载的阻值R；

e.若系统负载为非纯阻性时，以阻感性负载为例，设系统负载中的电阻为R，电感为L；选择开关闭合，切入原边谐波能量发射模块，通过副边能量接收模块中的副边磁能拾取线圈L_s1和L_s3接收来自原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块中的能量中并传递给系统负载，副边信号处理和发射模块检测系统负载的瞬时电流值，由芯片DSP1对系统负载的电流I进行高频逆变器FFT分解，通过分析得到系统负载电流中的基波电流值I_s1和三次谐波电流值I_s3；

f.根据叠加定理可知，系统负载上分解出的基波和三次谐波电流可以看成由原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块两个通道单独作用产生，结合系统负载电流大小，利用叠加定理，建立关于电阻和感抗的方程组：根据该方程即可得到系统负载的电阻R值和电感L值；

式中，M₁为原边基波磁能发射线圈L_p1与副边基波磁能拾取线圈L_s1之间的互感，M₃为原边谐波磁能发射线圈L_p3和副边谐波磁能拾取线圈L_s3之间的互感，ωM₁I_P1和3ωM₃I_P3为原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块单独作用在副边能量接收模块上的感应电压，X为原边谐波能量发射模块单独工作时副边能量接收模块中的感抗值，其中

g.识别结束后，将断开选择开关，副边信号处理与发射模块将识别结果以无线的方式发送给原边信号接收和处理模块，进而反馈给高频逆变器，高频逆变器通过变频或者移相的方法来调节输出的功率和电压。

当选择开关闭合时，高频逆变器的输出端接入原边谐波能量发射模块，与原边基波能量发射模块并联连接，且满足：时，原边基波能量发射模块和原边谐波能量发射模块形成基波和三次谐波提取通道；此时，其它参数需满足：

预设系统的耦合系数为k，系统原边磁能发射线圈和副边磁能接收线圈之间的互感值M为：

原边导轨电流I_p1、I_p3表达式为：U₁、U₃为基波和三次谐波电压有效值，U_d为逆变电路前端的直流电源，且满足：

以下为本发明的一个具体实施例。

实施例一：如图1，对于一种工作在20kHz频率下的无线电能传输系统，原边基波能量发射环节中基波线圈电感L_a1取值为10μΗ，基波谐振补偿电容C_p1为6.333μF，基波电容C₁为0.7036μF，原边基波磁能发射线圈电感L_p1为100μΗ；原边谐波能量发射环节中谐波线圈电感L_a3取值为3μΗ，谐波谐振补偿电容C_p3为2.345μF，谐波电容C₃为0.07254μF，原边谐波磁能发射线圈电感L_p3为100μΗ，耦合系数k为0.2，副边能量接收模块中L_s1和L_s2均为100μΗ，副边谐振补偿电容C_s1为0.3166μΗ，前级直流电源为20V。采用该方法进行无线电能传输系统负载识别的过程如下：

当系统设定一个负载(如R＝150Ω，L＝400μΗ)时，根据以上数据，可以得出基波通道原边导轨电流(即通过基波电容C₁)为：

其中：U₁为基波电压有效值。

系统原边基波磁能发射线圈L_p1和副边基波磁能拾取线圈L_s1之间的互感M₁为

基波通道感应电压为：

V_s1＝ωM₁I_p1＝2π×20000×20×10^-6×14.324＝36V

谐波通道原边导轨电流(即通过谐波电容C₃)为：

其中：U₃为谐波电压有效值。

系统原边谐波磁能发射线圈L_p3和副边谐波磁能拾取线圈L_s3之间的互感M₃为

感应电压为：

V_s3＝3ωM₃I_p3＝3×2π×20000×20×10^-6×5.305＝40V

由下式算出系统识别出的负载：

即

其中，I_s1和I_s3由副边电流的FFT分析结果得出。

由公式：算出

误差为：

由上式可知，由公式算出的负载参数的误差均在工程误差5％以内，即本发明所提方法可以实现无线电能传输系统负载识别方法；图2为本发明的逆变输出电压，图3是本发明的原边基波能量发射模块导轨电流波形和原边谐波能量发射模块导轨电流波形，图4是本发明的副边能量接收模块电流波形，图5为本发明某一负载下的副边能量接收模块电流FFT分析图。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。