一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统及方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统及方法。

背景技术：

阻抗匹配技术的研究是磁耦合谐振无线电能传输系统的最终目标，因为如果谐振系统达到了阻抗匹配，无论是负载的阻抗匹配，还是输入端的阻抗匹配，都将大大优化系统的传输效率、传输功率，同时也能改善近距离传输过程中产生的频率分裂现象，因此阻抗匹配技术是磁耦合谐振系统的本质。对于磁谐振无线电能传输技术而言，工作频率的提高有利于提高系统的传输特性；而对于高频开关功率电源而言，提高频率可以减小无源元件的尺寸，增加驱动源能量密度，阻抗不匹配会直接导致效率的下降，当系统处于欠耦合时，系统的传输效率无法达到最大值。当系统处于过耦合时系统会出现频率分裂现象，此时系统出现两个谐振频率且效率均不高。阻抗匹配可以改变系统的参数，一般具有两种形式，一种是完全匹配，即源阻抗和负载阻抗完全相等，此时模和相位都一致，传输无失真，另外一种是共轭匹配，即负载阻抗等于源阻抗的共轭值，此时负载可以从源端获得最大能量。常用的阻抗匹配网络lc和dc-dc型，其中lc型阻抗匹配网络又包括π型、τ型以及t型。

π型、τ型主要匹配阻抗的虚部，而dc-dc型通过调节占空比，可以改变阻抗的实部有效值。阻抗匹配方案对于原有固定参数的无线输电系统，其理论参数很容易设计计算，但实际参数不易调节，因为电容值一般是离散的，对于系统某些参数变化时，比如传输间距变换或者负载变化时，其阻抗匹配网络内的参数均要重新计算设计并调节，且非理想电容器和电感的引入，阻抗匹配网络本身也产生了附加的功率损耗，同时增加了整个系统的体积和重量。而对于高频无线电能传输来说，对于谐振点的寻找非常重要，通过设计计算的π型、τ型及dc-dc型阻抗匹配网络可能很难满足高频无线充电系统对于谐振点的寻找，对已经设计好的电路难以进行调节，无法进行动态的调节，无法精确的进行调节。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统，设置于无线电能传输系统中，该系统包括反射系数检测模块、电感、第一动态可调电容器、第二动态可调电容器、中央处理单元和电机控制模块，所述反射系数检测模块经所述电感和所述第一动态可调电容器与负载端阻抗的一端相连接，所述反射系数检测模块还另经所述第二动态可调电容器与所述负载端阻抗的另一端相连接，所述反射系数检测模块还与所述中央处理单元相连接以将入射和反射电压数据传输至所述中央处理单元，所述中央处理单元还与所述电机控制模块相连接以将所述第一动态可调电容器和所述第二动态可调电容器的位置量传输至所述电机控制模块，所述电机控制模块分别与所述第一动态可调电容器和所述第二动态可调电容器相连接以调节电容值进而改变网络参数以满足阻抗匹配要求。

进一步地，所述的第一动态可调电容器的电容值范围为100pf～1500pf。

进一步地，所述的第二动态可调电容器的电容值范围为100pf～1500pf。

进一步地，所述的无线电能传输系统包括相互连接的正弦信号电路模块、宽带线性功放电路模块、电磁发射子系统模块、电磁接受子系统模块、整流调压模块和负载。

进一步地，所述的电机控制模块中的电机采用步进电机。

本发明还提供一种基于所述的一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统的阻抗匹配方法，该阻抗匹配方法具体包括：所述无线电能传输系统开始工作后，产生阻抗匹配要求，根据动态变化的蓄电池端负载阻抗与共扼匹配基本原理，搭建作为匹配网络电路的所述的一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统，利用该系统中的所述反射系数检测模块检测反射系数，并将其传输至该系统中的所述中央处理单元，经过处理后再由该系统中的所述电机控制模块根据匹配算法动态自适应控制匹配网络电路中的所述第一动态可调电容器和所述第二动态可调电容器，改变网络参数以实时满足阻抗匹配要求并得到对应的谐振点。

本发明还提供一种基于所述的一种用于无线电能传输系统的动态阻抗匹配系统的阻抗匹配方法的调频控制方法，该调频控制方法具体包括：基于所述阻抗匹配方法得到的所述谐振点，在谐振频率过零点进行调频，然后经过比较器得出过零点，再经cpld做过零延时计算，再经dsp闭环调整以精确调节所述谐振点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用的是利用动态阻抗匹配网络磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统中的应用来使系统更好的达到谐振状态。现有的阻抗匹配电路不易对阻抗匹配电路进行特别精确的调节，也不易精确的调节谐振点，而且调节起来比较麻烦，一旦电路回路确定封装之后就很难对其中的一些原件来进行改变与调节，如果阻抗匹配不理想就会给电路设计带来不必要的麻烦。加入了动态阻抗匹配电路之后，解决了这些问题，可以很好的增加系统的传输效率。

(2)本发明设计了一种基于动态阻抗匹配在磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统应用，对传统的阻抗匹配网络加以改进，在原有阻抗匹配网络的基础上加入了动态可调电容器，实现了对阻抗匹配的动态调节，避免了手动调节的麻烦之处，而且加入了频率自动调整方案。从而可以实现对谐振点更加精确的调节。增加了工作效率，并且使高频无线充电系统的效率得以提高，使负载上获得最大的功率，而且减少了信号失真。

(3)无线充电行业发展非常迅速，高频磁耦合式无线充电则在其中扮演非常重要的角色，而阻抗匹配网络的设计也扮演着举足轻重的地位。如何更好的实现阻抗匹配，如何更好的进行频率及谐振点的调节都是其中比较重要的问题。本发明实现了对动态阻抗匹配网络的调节，使原副边网络电阻与电抗的匹配。提高了传输效率，减少了误差，减少了操作周期，增加了系统的实用性与易操作性。

(4)在磁耦合谐振式无线充电系统中，在现有技术上结合τ型阻抗匹配网络，在原边和副边分别加入可调电容，并通过闭环对电容容值进行动态的调节，使原边和副边达到比较精确的阻抗匹配要求，克服了传统的阻抗匹配不可调节，谐振点不易寻找，不精确等缺点，而且加入了频率的自动调节。使磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统的谐振频率更易寻找，调节更加方便，使系统有更高的传输效率。

附图说明

图1为本发明中的无线电能传输系统的架构图；

图2为本发明中的动态阻抗匹配系统的架构图；

图3为本发明中的频率调整流程图。

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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明设计了一种基于动态阻抗匹配在磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统应用，与传统的阻抗匹配网络相比，可以改变系统的电抗，使其原副边更好的匹配克服了高频系统频率调节的问题，使原副边电路迅速达到谐振频率，减少了谐振点调节的时间，避免了改变电容等器件带来的消耗，增加了高频无线充电系统的传输效率。

本发明提供了一种在磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统动态阻抗匹配的方法，有效解决了传统阻抗匹配网络参数很容易设计计算，但实际参数不易调节，高频网络的谐振点不易寻找，调节误差大，手动调节麻烦等不足之处。而将可调电容结合在磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统中，利用动态调节来改变电容的容值，可以对阻抗的虚部进行匹配调节，使其与原边的阻抗达到共轭的效果，即电阻相等，电抗互为相反数，从而来改变原副边的阻抗匹配网络，使原副边可以更加精确的阻抗匹配。在系统运行过程中，dsp通过对步进电机进行控制对电容进行调节，使系统其达到阻抗匹配状态，确保负载端的阻抗维持在一个稳定值，频率进行了自动调节，从而保证系统的传输效率。

具体实施例

1、主要思路

本发明涉及的是一种基于动态阻抗匹配在磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统应用，当电路进行阻抗匹配，来对于谐振点来进行调节时，有可能会出现谐振点难以寻找，或者谐振点已经找出，但此时传输效率比较低，还需要更加精细的调节，使结果更加精确，尤其是当电路已经设计连接好的时候，更是不易找到精确的谐振点来提高系统的传输效率。这时候通过动态调节可变电容与电感，从而通过对可变电容的容值和电感的感值的调节，使其更精确的进行到系统的阻抗匹配，来提高它的传输效率。

2、动态阻抗匹配在磁耦合谐振式大功率无线电能传输系统工作原理

如图1，原边正弦电压信号经过一个整流逆变调压电路，也就是宽带线性功放电路。交流电压经过原变线圈，到达副边线圈，即通过电磁发射系统到达电磁接收系统，然后经过整流调压电路到达负载。又由图2，根据动态变化的蓄电池端负载阻抗与共扼匹配基本原理，搭建匹配网络电路，再由反射系数检测电路检测反射系数，电机根据匹配算法动态自适应控制匹配网络中的电容，改变网络参数，实时满足匹配要求。又如图3，进行频率调整，在谐振频率过零点进行进行调频，然后经过比较器得出过零点，再经过cpld做过零延时计算，在经过dsp闭环调整，就达到了频率调整的功能。

本发明与传统的阻抗匹配调节高频无线充电谐振点相比，没有采用传统的阻抗匹配的方式，而是在其基础上运用步进电机对可调电容进行调节，摆脱了手动调节的麻烦，使之更加方便有效，通过闭环对可变电容的调节，使阻抗匹配更加快速准确，从而大大增加了无线电能传输的效率。

本实施例中，第一动态可调电容器和第二动态可调电容器的电容值范围均为100pf～1500pf。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。