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

技术特征：

1.一种负载在线识别的无线电能传输系统，其特征在于：它包括直流电源(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)、原边信号接收与处理模块(8)、选择开关Ⅰ(9)和选择开关Ⅱ(10)；

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，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)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(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)，原边信号接收和处理模块(8)将采集到的信号转换成驱动信号控制高频逆变器(2)；

其中原边基波能量发射模块(3)和原边谐波能量发射模块(4)并行连接在高频逆变器(2)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(5)上的感应电压和由副边信号处理与发射模块(7)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(6)的大小，再由原边信号接收和处理模块(8)将负载信息传递到高频逆变器(2)，通过驱动高频逆变器(2)进行后续的功率控制，电压调节等。

2.如权利要求1所述的负载在线识别的无线电能传输系统，其特征是：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。

3.如权利要求1所述的负载在线识别的无线电能传输系统，其特征是：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。

4.如权利要求1所述的负载在线识别的无线电能传输系统，其特征是：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。

5.如权利要求1所述的负载在线识别的无线电能传输系统，其特征是：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。

6.如权利要求1所述的负载在线识别的无线电能传输系统，其特征是：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(2)的功率控制和电压调节等。

7.一种使用权利要求1所述系统的负载在线识别的无线电能传输负载识别方法，其特征在于步骤如下：

a.断开选择开关Ⅰ(9)和选择开关Ⅱ(10)，切出原边谐波能量发射模块，高频逆变器(2)正常工作，原边基波能量发射模块(3)中的原边基波磁能发射线圈L_p1和副边能量接收模块(5)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(3)中的能量并传递给系统负载(6)；

b.利用副边信号处理和发射模块(7)中的电压电流检测电路检测出系统负载(6)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(6)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(7)的芯片DSP1判断出系统负载(6)的性质：若相位差为零，判断系统负载(6)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(6)为纯阻性时，利用公式：将副边信号处理和发射模块(7)检测得的系统负载(6)的电压U、电流I代入计算出系统负载(6)的阻值R；

e.若系统负载(6)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(9)和选择开关Ⅱ(10)，切入原边谐波能量发射模块，通过副边能量接收模块(5)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(3)和原边谐波能量发射模块(4)中的能量中并传递给系统负载(6)，副边信号处理和发射模块(7)检测系统负载(6)的瞬时电流值，利用芯片DSP1对系统负载(6)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(6)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(3)和原边谐波能量发射模块(4)两个通道单独作用产生，结合系统负载(6)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(6)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(3)和原边谐波能量发射模块(4)单独作用在副边能量接收模块(5)上的感应电压，X为原边谐波能量发射模块(4)单独工作时副边能量接收模块(5)中的感抗值，其中

g.识别结束后，断开选择开关Ⅰ(9)和选择开关Ⅱ(10)，副边信号处理与发射模块(7)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(8)，进而反馈给高频逆变器(2)，高频逆变器(2)通过变频或者移相的方法可以调节输出的功率和电压。

8.根据权利要求7所述的负载在线识别的无线电能传输系统的负载识别方法，其特征在于：

当选择开关Ⅰ(9)和选择开关Ⅱ(10)闭合时，高频逆变器(2)的输出端接入原边谐波能量发射模块(4)，与原边基波能量发射模块(3)并联连接，且满足：时，原边基波能量发射模块(3)和原边谐波能量发射模块(4)形成基波和三次谐波提取通道；此时，其它参数需满足：

9.根据权利要求7所述的负载在线识别的无线电能传输系统的负载识别方法，其特征在于：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：

10.根据权利要求7所述的负载在线识别的无线电能传输系统的负载识别方法，其特征在于：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：