一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法技术

本发明专利技术涉及一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，属于无线电能传输技术领域。该方法：首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck‑Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。本发明专利技术方法不需要原边和副边的信息通信，检测量仅有输入电流平均值，控制量仅有Buck转换器占空比；当线圈间距离或负载电阻变化时，根据检测输入电流最小化，就可以实现输出电压的恒定和效率的最大化，电路控制十分容易。

【技术实现步骤摘要】
一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法
本专利技术属于无线电能传输
，涉及一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法。
技术介绍
随着开关器件在控制频率和功率技术上的提高，使得无线电能传输技术(WPT)能够飞速发展。近年来，WPT已经广泛应用于医学设备、家电、汽车等领域，成为研究的热点。在WPT实际应用过程中，通常希望在能够追踪最大传输效率的同时能够保持输出电压恒定不变。但当两线圈间的距离和负载电阻值改变后，系统的输出电压和效率都会发生改变，特别是系统效率在距离增大时会迅速下降。在目前已有的无限传能系统中，主要有频率跟踪，阻抗匹配，DC/DC转换器等效三种方式。而频率跟踪适合于近距离，强耦合的情况，可以实现在强耦合距离范围内可保持传输效率恒定，但约束条件很强，并且效率难以最大化。阻抗匹配虽然可以实现在距离变化实现传输最大化，但是其补偿电路复杂，控制方法也比较困难。并且这两种方法均会导致在距离或负载变化时输出电压或有较大变动。而目前所采用的DC/DC直流转换器等效的方式可以在较大的负载距离和大小范围内实现最大效率跟踪，但其均需要对多个量进行检测，以及原副边的信息通信，增大控制算法难度。因此，目前亟需一种能同时满足输出电压的恒定和系统效率最大化的无线传能方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，不需要原边和副边的信息通信，检测量仅有输入电流平均值，控制量仅有Buck转换器占空比。当线圈间距离或负载电阻变化时，根据检测输入电流最小化，就可以实现输出电压的恒定和效率的最大化，电路控制十分容易。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，利用直流转换器来等效负载电阻使其为最优负载的思想，首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck-Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。进一步，该跟踪方法具体包括：1)对于每一距离线圈间距离D，均存在一最优负载电阻使得系统效率最大；当线圈间距离或负载大小变化导致实际负载电阻不是最优负载时，可以利用调节Buck-Boost直流转换器的占空比Duty2将某一固定负载电阻RL等效为最优负载电阻RL-eq；2)在确定最优Duty2时，通过调节Buck直流转换器占空比Duty1，使输出电压为所设定恒定值。进一步，所述Buck-Boost直流转换器的占空比Duty2为：其中，RL-eq表示最优负载电阻，RL表示系统的负载电阻。进一步，所述Buck直流转换器的占空比Duty1为：其中，Vin、Vin-eq分别为Buck直流转换器的输入、输出电压。进一步，所述最优负载电阻RL-eq为：RL-eq＝π2RL-ηmax/8其中，RL-ηmax表示传输效率η最大时的负载电阻。进一步，由于系统中直流转换器(Buck,Buck-Boost)，逆变器，整流器的损耗均很小，故可以忽略掉。此时系统的传输效率η为：其中，Vin为系统输入电压，VO为系统输出电压，Iav为输入电源侧的平均电流，Iin为电源侧电流；Iav＝IinDuty1由于VO，RL，Vin均为定值，当Buck直流转换器的占空比Duty1使电源侧平均电流Iav为最小时，即为系统传输效率最大。进一步，为了能够自动调节输出电压恒定，该跟踪方法还包括：利用PID算法来控制Buck-Boost直流转换器，使其能够始终输出设定电压值；PID算法根据设定电压与实际电压的误差error调节Duty2以达到保持输出电压为设定值。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术能够实现对应于线圈间距离变化或负载电阻变化时对传输效率最大值的跟踪以及对输出电压的恒定；(2)本专利技术所需检测变量仅有输入电流，控制变量仅有Buck转换器的控制信号的占空比，并且不需要原边与副边的通信，控制十分简单易行。本专利技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本专利技术的实践中得到教导。本专利技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作优选的详细描述，其中：图1为磁耦合谐振无线传能等效模型；图2为不同负载下传输效率随距离变化仿真图；图3为Buck-Boost转换器的电路结构图；图4为Buck-Boost转换器的等效电阻图；图5为Buck转换器的电路结构图；图6为输出电压与占空比Duty1、Duty2的关系图；图7为本专利技术所述的最大效率跟踪方法实现电路图；图8为最大效率跟踪基本流程图；图9为输出电压、效率与占空比Duty2的关系图；图10为PID控制结构图；图11为效率随Duty1变化曲线图；图12为最优Duty1跟踪流程图；图13为效率随传输距离变化曲线图；图14为输出电压随负载电阻变化曲线图；图15为效率随传输距离变化曲线图；图16为输出电压随传输距离变化曲线图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利技术的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。请参阅图1～图16，为种基于恒定输出电压的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck-Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，首先，在磁耦合谐振式无线传能系统中，在原边引入占空比可调的Buck直流转换器调节输入电压，在副边引入PID控制的Buck-Boost直流转换器来等效电阻以及恒定输出电压；然后，通过调节Buck直流转换器的占空比并检测输入电流平均值最小来自动实现恒定输出电压的同时，跟踪最大传输效率。


2.根据权利要求1所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，该跟踪方法具体包括：
1)对于每一距离线圈间距离D，均存在一最优负载电阻使得系统效率最大；当线圈间距离或负载大小变化导致实际负载电阻不是最优负载时，利用调节Buck-Boost直流转换器的占空比Duty2将某一固定负载电阻RL等效为最优负载电阻RL-eq；
2)在确定最优Duty2时，通过调节Buck直流转换器占空比Duty1，使输出电压为所设定恒定值。


3.根据权利要求2所述的一种基于恒定输出电压的磁耦合谐振式无线传能最大效率跟踪方法，其特征在于，所述Buck-Boost直流转换器的占空比Duty2为：



其中，RL-eq表示最优负载电阻，RL表示系统的负载电阻。


4.根据权利要求2所述的一种基于恒定输出电压的磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪金刚，王鑫，赵鹏程，吴顺鑫，沈晨，许兰心，颜晓军，沈泽亮，刘亚，刘茜，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50