多频多负载无线电能传输系统及其电流跟踪PWM控制方法

多频多负载无线电能传输系统及其电流跟踪pwm控制方法
技术领域
1.本发明涉及多频多负载无线电能传输系统，具体涉及一种多频多负载无线电能传输系统及其电流跟踪pwm控制方法。


背景技术：

2.多频混合电源应用于不同频率标准下的多负载无线电能传输场景，目前的多频混合电源技术中，通常采用移相控制、多逆变器并联运行、利用逆变器输出的基波与谐波传能等方式输出多频电能，用以实现多频多负载无线电能传输，但现有技术存在以下不足：
3.1.利用移相控制方式制备多频混合信号的方式，逆变器电压调节范围不够宽，若通过增加额外调压环节进行调节则影响系统整体效率并且增加系统体积及成本；
4.2.利用逆变器输出基频以及若干次谐波进行供电的方式，输出的多频混合信号之间存在耦合，且该方式支持的频率较少，难以实现灵活的多频率负载无线供电；
5.3.现有原边单发射结构的多频多负载无线电能传输系统系统一般存在较大无功功率，因此系统功率因数较低。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明旨在提出一种多频多负载无线电能传输系统及电流跟踪pwm控制方法，实现多频多负载无线电能传输，负载独立控制以及较宽功率调节范围内的高效无线电能传输。
7.技术方案：为实现上述目的，本发明第一方面提出了一种多频多负载无线电能传输系统的电流跟踪pwm控制方法，该方法用于对所述多频多负载无线电能传输系统原边线圈中流过的电流进行基于预设指令电流的电流跟踪pwm控制；所述指令电流的设计方法包括步骤：
8.(1)确定所述多频多负载无线电能传输系统各副边接收电路中负载的工作频率fi，i＝1，2，
…
，n，n为所述副边接收电路的总数；
9.(2)计算出所述各副边接收电路的子指令电流的幅值参数ai：
[0010][0011]
其中，p
oi
表示第i个所述副边接收电路的负载功率，r
li
表示第i个所述副边接收电路的负载等效电阻，m
psi
表示所述原边线圈与第i个所述副边接收电路中接收线圈之间的互感；
[0012]
(3)设置优化模型：
[0013]
[0014][0015]
其中，其中，表示第i个所述副边接收电路的子指令电流的幅值参数，t表示周期时长，f
min
和f
max
为预设的最小跟踪频率和最大跟踪频率，i
*
(t)表示所述指令电流关于时间t的函数，i
max
表示系统能够跟踪的最大电流值，h
max
表示系统最大电流变化率；
[0016]
(4)求解所述优化模型，得到所述各副边接收电路的子指令电流的相位参数；
[0017]
(5)计算所述指令电流为：
[0018][0019]
其中，i
*
表示所述指令电流值，表示第i个所述副边接收电路的子指令电流值。
[0020]
本发明的第二方面提出一种多频多负载无线电能传输系统，包括设置于系统原边并依次连接的直流电源、高频逆变器和发射线圈，以及设置于系统副边的多个接收电路；其特征在于，还包括设置于系统原边的电流跟踪pwm控制电路和电流采集电路；所述电流采集电路用于采集所述高频逆变器的输出电流；所述电流跟踪pwm控制电路用于基于所述输出电流和预先设置的指令电流进行电流跟踪pwm控制，所述指令电流采用所述多频多负载无线电能传输系统的电流跟踪pwm控制方法设置。
[0021]
作为本发明第二方面的一种可选实施方式，所述接收回路包含对应频率的谐振网络和负载；所述谐振网络用于从所述系统原边发射的复合电磁波中提取相应谐振频率的子电磁波，并转换为电能为本端所连接的负载供电。
[0022]
作为本发明第二方面的一种可选实施方式，所述系统原边电路中还设置有补偿电容，所述补偿电容值可以设计为：其中，q
sys
表示所述多频多负载无线电能传输系统的整体无功功率，表示工作频率为fi的副边接收电路对应的原边电流峰值。通过补偿电容输出容性无功，可以补偿系统中存在的感性无功功率。
[0023]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
[0024]
1、根据负载需求设计指令电流参数，同时可以根据负载状态调整指令电流参数，调压范围宽且不增加额外调压电路，节省成本；
[0025]
2、指令电流频率根据负载需求给定，各频率分量设计时无需遵循基波与谐波间的关系，独立设计，频率选择灵活，可以实现灵活的多频负载无线供电；
[0026]
3、得益于电流跟踪pwm控制，系统原边具有电流源特性，因此加入补偿电容不影响系统所需多频电能的能量传输，同时可以利用补偿电容的容性无功降低系统整体无功功率，提升功率因数。
附图说明
[0027]
图1为实施例涉及的多频多负载无线电能传输系统的电流跟踪pwm控制方法的原
理图；
[0028]
图2为实施例涉及的仿真结果中流经发射线圈的原边电流波形图；
[0029]
图3为实施例涉及的仿真结果中流经发射线圈的原边电流的fft分析结果；
[0030]
图4(a)为实施例涉及的仿真结果中负载r
l1
上的电压波形图；图4(b)为实施例涉及的仿真结果中负载r
l2
上的电压波形图；
[0031]
图5(a)为实施例涉及的仿真结果中，改变指令电流中80khz的分量幅值后，负载r
l1
上的电压波形图；图5(b)为实施例涉及的仿真结果中，改变指令电流中80khz的分量幅值后，负载r
l2
上的电压波形图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而并不意图限制本发明。
[0033]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里采用的术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0034]
本技术领域技术人员可以理解，在本技术的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本技术的实施例的范围。
[0035]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本技术的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
[0036]
本技术领域技术人员可以理解，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像本技术实施例中一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0038]
本实施例旨在针对现有技术的不足，提出一种多频多负载无线电能传输系统及其电流跟踪pwm控制方法。
[0039]
参考图1，图1示意性地给出了本实施例所述多频多负载无线电能传输系统的一种电路结构以及该系统的电流跟踪pwm控制的原理图。图1中包括：设置于系统原边的直流电源、高频逆变器、发射线圈lp、电流跟踪pwm控制电路和电流采集电路，以及设置于系统副边的n个接收电路，n为整数且n＞0。
[0040]
直流电源用于为高频逆变器、电流跟踪pwm控制电路和电流采集电路供电。
[0041]
电流采集电路用于采集高频逆变器输出电流并传输给电流跟踪pwm控制电路。
[0042]
电流跟踪pwm控制电路用于通过控制器对采集到的电流和预先设置的指令电流进行滞环比较，生成pwm脉冲控制序列，从而对高频逆变器进行电流跟踪pwm控制。根据常规电流跟踪pwm控制最大开关频率公式：ud为逆变器直流侧电压，h为电流跟踪pwm控制滞环宽度；可以根据实际系统中开关器件所支持的最大开关频率以及跟踪精度要求综合调节电流跟踪过程中滞环宽度。
[0043]
高频逆变器用于根据pwm脉冲控制序列生成负载所需的多频复合电流，本实施例中，高频逆变器采用由4个开关管组成的全桥逆变电路实现。
[0044]
发射线圈lp用于将多频复合电流转换为多频复合电磁波。
[0045]
接收电路用于从多频复合电磁波中提取相应频率的电磁波并转化为电能后为负载供电。本实施例中，每个副边接收电路示例性地采用一个lcr串联谐振电路实现，第i个副边接收电路的谐振频率为fi。
[0046]
本实施例中，指令电流根据负载侧需求设置，其函数表达式为：
[0047][0048]
其中，i
1*
至i
n*
分别为第1至第n个副边接收电路的子指令电流函数，f1至fn分别为第1至第n个副边接收电路中各负载的工作频率，a1至an分别为各子指令电流的幅值参数，为各子指令电流的相位参数。
[0049]
该系统基于电流跟踪pwm控制实现多频多负载无线电能传输与控制。系统输出功率大小与指令电流的幅值大小呈正相关，因此对指令电流的幅值进行设置即可控制负载侧的功率，进而与不同负载的功率需求进行匹配。指令电流的各个频率分量之间可单独设置幅值大小，实现不同频率负载间的独立控制。而改变指令电流中频率分量则可适配不同工作频率负载供电需求根据实际应用需求。
[0050]
由上述工作原理可知，本发明至少具有以下优势：
[0051]
本发明基于电流跟踪pwm控制，控制高频逆变器输出电流波形始终保持期望输出波形，而改变电流跟踪pwm控制器中指令电流各频率分量频率及幅值大小即可实现任意特定频率负载定向功率传输和控制。整个系统结构简单且具有较强的鲁棒性，可以直接输出各工作频率下负载所需电流，即可满足多频多负载快速稳定的供电需求，实现宽范围功率灵活调节，又可实现各负载独立供电与控制，相对于现有控制方法提升了系统供电灵活性与兼容性。
[0052]
图1所示电路的电流跟踪pwm控制方法为：通过设置在原边的电流采集电路实时采集发射线圈lp中流过的电流，然后将采集到的电流送入电流跟踪pwm控制电路中，与预先设置的指令电流进行滞环比较，电流跟踪pwm控制电路内的滞环控制器根据比较结果生成pwm控制序列，控制高频逆变器中各开关管的通断，从而实现对指令电流的跟踪。
[0053]
指令电流参数的设计方法为：首先确定频率参数，接着根据负载功率需求确定幅值参数，最后根据频率参数以及幅值参数设计情况，建立指令电流函数优化模型，根据模型求解情况设计相位参数。具体设计流程包含以下步骤：
[0054]
(1)确定第1至第n个副边接收电路中各负载的工作频率f1至fn；
[0055]
(2)子指令电流中的幅值参数根据各副边接收电路中的负载实际功率需求分别确定。建立系统电路模型，将原边电路等效至副边，可得第i个副边接收电路中负载电压的表
达式为：
[0056][0057]
其中，u
li
为第i个副边接收电路中负载电压，r
li
为第i个副边接收电路中负载的等效电阻，m
psi
为原边线圈与第i个副边接收电路中的接收线圈之间互感值，ii表示第i个副边接收电路的工作频率对应的原边电流有效值，l
si
为第i个副边接收电路中谐振电感的电感值，c
si
为第i个副边接收电路中谐振电容的电容值。
[0058]
(3)副边接收电路的参数设计准则为尽可能的提升品质因数以获得更好的选频特性，因此在副边接收电路的工作频率下负载电压可以进一步简化为：
[0059]uli
＝jωim
psiii
[0060]
(4)又基于负载功率表达式为：
[0061][0062]
结合负载电压和功率表达式以及ii与相应子指令电流函数中频率参数关系，可建立第i个副边接收电路所对应的子指令电流的幅值参数与系统参数之间的函数表达式：
[0063][0064]
(5)求得指令电流函数的一阶导函数表达式为：
[0065][0066]
(6)相位参数设计准则为在周期内指令电流函数最小，结合已经确定的幅值参数与频率参数，幅值条件的约束为指令电流函数幅值小于系统电流跟踪阈值，信号变化速率的约束为信号瞬时变化率小于系统最大跟踪频率，在相位参数变化范围内求解满足约束条件的相位组合，确定相位参数，因此优化模型：
[0067][0068][0069]
其中，t表示周期时长，f
min
和f
max
为预设的最小跟踪频率和最大跟踪频率，i
*
(t)表示所述指令电流关于时间t的函数，i
max
表示系统能够跟踪的最大电流值，h
max
表示系统最大电流变化率；求解上述优化模型，得到的解为各副边接收电路对应的子指令电流的相位参数
[0070]
继续参考图1，图1所示多频多负载无线电能传输系统的原边为电流源型系统，因此可在原边加入电能补偿电容，可有效提升系统功率因数，实现多频多负载无线电能高效传输。
[0071]
电能补偿电容的参数设计方法如下：
[0072]
本系统基于电流滞环跟踪pwm控制，高频逆变器输出电流由指令电流决定，因此原
边可以等效为若干电流源叠加，而电能补偿电容参数可以根据系统当前无功功率水平及其对应的无功补偿策略确定，设计时可通过叠加定理进行分析。
[0073]
参考图1，根据系统电路模型，可将副边阻抗折算至原边，则将第j个副边接收电路的阻抗折算到原边时，相应工作频率fi下的系统模型表达式为：
[0074][0075]
其中，为工作频率fi下j号负载回路折算至原边的等效阻抗。
[0076]
相应工作频率下系统无功功率为：
[0077][0078]
其中，为工作频率fi的原边电流有效值，且的原边电流有效值，且为工作频率fi时系统原边阻抗，表达式为：
[0079][0080]
系统整体无功功率表达式为：
[0081][0082]
其中，表示工作频率fi下系统无功功率。
[0083]
若对无功功率进行完全补偿时补偿电容应发出的无功功率为：
[0084][0085]
其中，c
p
表示电能补偿电容的电容值。
[0086]
由于在进行无功补偿时为避免过补偿增大系统电流，往往不采取全补偿策略，而是采取欠补偿的方式，因此可按照无功功率按照需要补偿量的90％至95％进行补偿，故电能补偿电容的取值可以为：
[0087][0088]
其中，q
sys
表示所述多频多负载无线电能传输系统的整体无功功率，表示工作频率为fi的副边接收电路对应的原边电流峰值。
[0089]
为验证本发明的技术效果下面给出仿真结果加以说明。
[0090]
继续参考图1，在图1所示电路中，设置2个副边接收回路。第一副边接收电路包括接收线圈l
s1
、谐振电容c
s1
、电阻r
s1
和负载r
l1
，设置第一副边接收电路的工作频率为20khz，第一副边接收回路的接收线圈l
s1
电感值为88.6μh，接收线圈l
s1
等效内阻为0.13ω，负载r
l1
设置为阻性负载，阻抗为3ω。第二副边接收电路包括接收线圈l
s2
、谐振电容c
s2
、电阻r
s2
和负载r
l2
，设置第二副边接收电路的工作频率为80khz，第二副边接收回路的接收线圈l
s2
参数为89.05μh，接收线圈l
s2
等效内阻为0.1ω，第二负载r
l2
设置为阻性负载，阻抗为10ω。
[0091]
设置高频逆变器直流侧电压设置为120v，原边发射线圈l
p
参数设置为29.1μh，等效阻抗设置为0.07ω。发射线圈l
p
与接收线圈l
s1
之间的互感值为17.08μh，发射线圈l
p
与接
收线圈l
s2
之间的互感值为16.6μh，接收线圈l
s1
与接收线圈l
s2
之间的交叉互感值为0.125μh，电能补偿电容值c
p
设置为0.47μf。
[0092]
副边接收电路采用串联补偿策略。对于第一副边接收电路，负载r
l1
的工作频率为20khz，则ω1＝2
·
20000
·
π，电路处于串联谐振时存在关系ωl＝1/ωc，因此可求得谐振电容c
s1
的取值为0.6918μf。同理，对于第二副边接收电路，负载r
l2
的工作频率为80khz，则ω2＝2
·
80000
·
π，可得谐振电容c
s2
的取值为0.04752μf，1号负载功率需求为17w，2号负载功率需求为12w。
[0093]
基于上述参数设置，可计算出指令电流设置为：
[0094]i*
＝5
·
sin(2π
·
20000
·
t+0.942)+2
·
sin(2π
·
80000
·
t+0.541)a。
[0095]
参考图2，图2为上述仿真电路中流经发射线圈的原边电流波形图，从电流波形可以看出原边电流不是规则的单一频率的正弦波，而是几个频率叠加后的波形。可通过对其进行fft分析，分析其中频率分量。图3则为原边电流的fft分析结果，fft分析工具中基波频率设置为20khz，结果显示原边电流中主要频率成分为20khz以及80khz分量，其他频率的干扰与主要频率相比含量极低，因此可以忽略不记，由于本设计方法中频率的设置完全根据负载需求给定函数频率参数，无需依赖逆变器输出方波中存在的谐波频率，因此更能适应负载频率需求。说明本发明实施例所提出方法可以实现产生预设频率混合叠加的电源的效果。
[0096]
图4(a)为负载r
l1
的电压波形，可以看出波形为较为规则的正弦波，频率为20khz，电压峰值达到了10v，。图4(b)为负载r
l2
电压波形，波形为较为规则的正弦波，频率为80khz，幅值为15v，负载电流波形均为正弦波。由此可以看出，本发明实施例提出的多频多负载无线电能传输系统可以同时实现多个频率的无线电能传输。
[0097]
图5(a)为改变指令电流中80khz的分量幅值后负载r
l1
的电压波形，可以看出波形为较为规则的正弦波，频率为20khz，幅值仍为10v，波形几乎无变化。图5(b)为改变指令电流中80khz分量幅值后负载r
l2
的电压波形，波形为较为规则的正弦波，频率为80khz，幅值随指令电流呈线性变化。由此可以看出，本发明实施例提出的多频多负载无线电能传输系统，可以通过改变指令电流中一个频率分量的幅值，实现对该频率分量的单独控制，从而实现灵活的电能传输及控制。
[0098]
本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0099]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。