一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法，属于无线传能系统技术领域，解决了现有技术中的无线电能传输系统传输效率低、成本高的问题，本发明专利技术的传输系统包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。本发明专利技术传输效率高、控制简单、无需通信、成本低。

A multi tap radio energy transmission system and its efficiency optimization method

【技术实现步骤摘要】
一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法
本专利技术属于无线传能系统
，具体涉及一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法。
技术介绍
无线传能系统的效率优化问题是当前研究的热点之一。但对于宽输出功率变化范围的无线传能系统，难以在满足功率需求的同时实现系统的效率优化。目前针对宽输出功率变化范围的无线传能系统，主要采用的效率优化方法包括：1)DC/DC变换器；2)移相控制；3)系统参数优化。1)DC/DC变换器：在系统输出功率不同时，存在一个最优负载值使得系统效率最高，因此可利用DC/DC变换器实现系统等效负载变换，从而最大化系统效率。但此方法的问题在于会额外引入DC/DC变换器的损耗。2)移相控制：通过PSM/PDM等技术控制有源整流器的移相角，从而实现等效负载变换和效率优化。但此方法的问题在于软开关在PSM下难以实现，且当输出功率远低于额定输出功率时，PDM会造成系统输出扰动。3)系统参数优化：通过改变系统的工作频率、补偿电容、互感等参数实现效率优化。但此类方法的问题在于建模计算困难，控制复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：为解决现有技术中的无线电能传输系统传输效率低、成本高的问题，提供一种多抽头无线电能传输系统及其效率优化方法。本专利技术采用的技术方案如下：一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。进一步地，所述发射端谐振网络与发射线圈之间安装有电压测量器和电流测量器。进一步地，所述发射端谐振网络包括LCL网络补偿线圈和LCL网络补偿电容，接收端谐振网络包括接收线圈谐振补偿电容。一种多抽头无线电能传输系统效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)初步分段：为保证在宽输出功率变化范围内，系统能保持较高效率，根据系统输出功率PL的范围划分为多个功率段PL1～PL2，PL2～PL3……PLN-1～PLN，计算PL1，PL2……PLN对应的最优发射线圈匝数niopt1，niopt2……nioptN，在最优匝数niopt1，niopt2……nioptN处对发射线圈进行分段，并在分段处引出抽头并与控制开关相连；(2)确认开关状态和系统参数：测量发射端电压UP和发射端电流IP，获取系统中各控制开关的状态信息，闭合开关记为SPlast，并确定当前接入系统的发射线圈内阻之和RPsum、接收线圈内阻之和RSsum、当前接入系统发射线圈与接收线圈之间的互感之和Msum这三项系统参数信息；(3)计算系统输出功率PL：根据步骤(2)中确定的系统参数值，由计算得到系统输出功率PL，其中ω：系统工作角频率；(4)确定最优匝数niopt_now：根据步骤(3)中计算得到的PL，确定其所处的步骤(1)中划分的功率段PLA～PLB，将与PLA、PLB对应的发射线圈最优匝数nioptA、nioptB分别代入系统效率表达式进行计算，取效率较高者作为当前功率的最优匝数niopt_now；(5)调整控制开关：闭合niopt_now所对应的的控制开关SPnow，并断开步骤(2)中的闭合开关SPlast，若最优匝数niopt_now对应的闭合开关位置与步骤(2)中的闭合开关位置相同，则保持该状态。进一步地，步骤(1)中计算PL1，PL2……PLN对应的发射线圈最优匝数niopt1，niopt2……nioptN的方法如下：根据系统效率表达式式中：RPsum＝a×niRSsum＝a×njMsum＝b×ni×nj其中，a为线圈内阻计算系数，b为互感计算系数，a、b均为定值且可通过测量各分段RPsum，RSsum，Msum的值，并通过线性拟合方法获得；ni为发射线圈匝数，nj为接收线圈匝数，ni随分段开关闭合位置不同为非定值，nj为定值；IP为由LCL网络提供的恒流电流；将负载电阻RL替换为关于负载功率PL的表达式；将RPsum，RSsum，Msum，RL代入系统效率表达式中可得：对于某一固定负载功率PL可由该式计算得到系统效率η，且存在一最优发射线圈匝数niopt，使得系统效率η最高，该最优发射线圈匝数niopt由求解微分方程获得：综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术相比于现有宽输出功率变化范围无线传能系统的效率优化方法，无需引入额外的功率变换设备，减少了器件损耗，提高了传输的效率。2、本专利技术从系统模型出发实现相关控制算法，控制简单，且无需与接收端进行通信，节省了无线通信设备。3、本专利技术的系统在切换抽头优化系统效率的同时，系统中的电流得到合理分配，从而减小了磁场泄漏。4、本专利技术的系统和方法节省了额外的功率变换设备和无线通信设备。附图说明图1为本专利技术的多抽头无线电能传输系统的系统结构图。图中标记：UDC：直流输入电压；UPT：逆变器输出电压；IPT：逆变器输出电流；UP：发射端端电压；IP：发射端电流；IS：接收端电流；PL：系统输出功率；ω：系统工作角频率；N：发射线圈段数；LPT：LCL网络补偿电感；CPT：LCL网络补偿电容；LP1，LP2……LPN：发射线圈第1，2……N段的寄生电感；CP1，CP2……CPN：发射线圈第1，2……N段的谐振补偿电容；RPsum：当前接入系统的发射线圈内阻之和；SP1，SP2……SPN：控制发射线圈第1，2……N段是否接入系统的开关；MPi,j：发射线圈第i段与第j段之间的互感(1≤i,j≤N)；LS1：接收线圈寄生电感；CS1：接收线圈谐振补偿电容；RSsum：接收线圈内阻之和；Mi,1：发射线圈第i段与接受线圈之间的互感(1≤i≤N)；Msum：当前接入系统发射线圈与接收线圈之间的互感之和；RL：负载电阻。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术的系统效率优化方法设计与控制过程如下：(1)确定发射线圈抽头位置步骤：①为保证宽输出功率变化范围内，系统能保持较高效率，根据PL的范围划分为多个功率段(PL1～PL2，PL2～PL3……PLN-1～PLN)；②计算PL1，PL2……PLN对应的最优发射线圈匝数niopt1，niopt2……nioptN；③在最优匝数niopt1，niop本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。/n

【技术特征摘要】
1.一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，包括直流电源，所述直流电源电连接有高频逆变器，所述高频逆变器电连接有发射端谐振网络，所述谐振网络电连接有发射线圈，发射线圈内部包含多段分线圈，每段分线圈分别电连接有配合的控制开关和谐振补偿电容，发射线圈产生的高频交变磁场内安装有接收线圈，所述接收线圈电连接有接收端谐振网络和整流桥，所述整流桥电连接有负载电阻。


2.根据权利要求1所述的一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端谐振网络与发射线圈之间安装有电压测量器和电流测量器。


3.根据权利要求1所述的一种多抽头无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端谐振网络包括LCL网络补偿线圈和LCL网络补偿电容，接收端谐振网络包括接收线圈谐振补偿电容。


4.一种多抽头无线电能传输系统效率优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初步分段：为保证在宽输出功率变化范围内，系统能保持较高效率，根据系统输出功率PL的范围划分为多个功率段PL1～PL2，PL2～PL3……PLN-1～PLN，计算PL1，PL2……PLN对应的最优发射线圈匝数niopt1，niopt2……nioptN，在最优匝数niopt1，niopt2……nioptN处对发射线圈进行分段，并在分段处引出抽头并与控制开关相连；
(2)确认开关状态和系统参数：测量发射端电压UP和发射端电流IP，获取系统中各控制开关的状态信息，闭合开关记为SPlast，并确定当前接入系统的发射线圈内阻之和RPsum、接收线圈内阻之和RSsum、当前接入系统发射线圈与接收线圈之间的互感之和Msum这三项系统参数信息；
(3)计算系统输出功率PL：根据步...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦瑞坤，顾耕东，徐叶飞，杨环宇，何正友，付稳超，
申请(专利权)人：西南交通大学，中车唐山机车车辆有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51