一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法技术

本发明专利技术公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，包括信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈和负载；可切换线圈包含可用于无线电能传输的发射线圈，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输。控制器计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数、发射和接收功率，并选择效率系数最大的发射线圈将其用于无线电能传输，同时对发射功率进行调整。本发明专利技术的控制电路简单且损耗小，其成本低，且只需控制不同发射线圈的接入即可实现抗偏移的目标。的接入即可实现抗偏移的目标。的接入即可实现抗偏移的目标。

【技术实现步骤摘要】
一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法


[0001]本专利技术涉及无线充电
，尤其涉及一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法。

技术介绍

[0002]随着时代的发展，电力设备的发展也日新月异，电力设备应用在各种各样复杂的场合中。传统的有线电能传输由于存在输电线路容易破损老化而产生电火花的问题，严重影响了电气设备的寿命甚至影响人们的人身安全，已经不能满足人们对于高品质生活水平的需求。磁耦合谐振传输技术具有传输功率适中、效率高、距离适中的特点，具有重要的研究价值和应用意义。
[0003]虽然无线传能有很多优点，但是在工程应用中仍存在很多问题。在许多应用场景中，例如生物医学中的生物电子设备、电动汽车、无人机和移动电子设备的充电，都需要灵活的转移位置和较高的充电效率。移动设备充电时，接收线圈偏移系统的充电效率会急剧下降，不同的充电终端由于所需功率不同，需要不同的充电平台。理想情况下，充电平台应该具有通用性，并能实现功率自适应和距离自适应。为解决移动无线充电的上述问题，许多方法被提出，例如自适应频率跟踪、阻抗匹配法、线圈结构设计。
[0004]频率跟踪技术是通过WPT/MRC系统中附加高频电流检测器、差分放大器、相位补偿器、锁相环等一系列复杂的电路来实现对发射回路谐振频率的跟踪控制。但是，这些附加的电路会使系统变得复杂，影响了系统的可靠性和效率，系统在水平与偏移方向上的抗偏移能力不够。
[0005]阻抗匹配法是在WPT系统中发射端加入阻抗匹配电路使以实现系统的阻抗匹配，从而来提高系统的效率，然而，单纯的阻抗匹配法也无法提高线圈之间的输电效率。

技术实现思路

[0006]针对现有的无线电能传输系统接收端线圈发生偏移后导致输电效率下降以及难以适应不同负载的不同功率需求的问题，本专利技术公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其利用信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈、负载和蓝牙模块来实现，功率放大器的内阻为R
s
，其输入电压为V
s
，可切换线圈包含N0个可用于无线电能传输的发射线圈，发射线圈n的内阻为R
n
，发射线圈n的补偿电容为C
n
，接收线圈L
RX
包含寄生电阻R
RX
和补偿电容C
RX
。接收线圈的电感为L
RX
，负载的电阻为R
L
，可切换线圈的电感为L
n
。信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈和测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端。蓝牙模块与控制器相连。控制器包括发射端控制器和接收端控制器。
[0007]发射端测距模块测量接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d并
将测量的距离发送给发射端控制器，发射端控制器根据收到的距离，计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。
[0008]接收端控制器通过其所包含的电压表与电流表分别采集接收线圈的实时电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算接收线圈的实时接收功率P2。接收端控制器比较实时接收功率P2与负载额定功率P
Load
，并将接收功率P2与负载额定功率P
Load
通过蓝牙模块实时发送给发射端控制器。
[0009]发射端控制器接收到蓝牙模块接发送的接收功率P2与负载额定功率P
Load
，测量发射线圈的当前发射功率P1，计算当前的系统传输效率计算接收功率P2与负载额定功率P
Load
的差值a＝(P2‑
P
Load
)，如果差值a大于0，计算当前发射端所需减少的发射功率P
a
＝a*η1，将发射线圈的发射功率减少P
a
，当前发射线圈的发射功率P
new
＝P1‑
P
a
；反之，如果差值a小于0，计算当前发射端所需增加的发射功率P
a
＝a*η1，将发射线圈的发射功率增加P
a
，当前发射线圈的发射功率P
new
＝P1+P
a
。
[0010]对于发射线圈n，发射端控制器计算发射线圈n与接收线圈的互感Mn，互感Mn的计算公式为：
[0011][0012]其中，N1、N2分别为发射线圈n与接收线圈的每层匝数，r1为发射线圈n的半径，r2为接收线圈的半径，μ0为真空磁导率，R
QN
为两线圈上任意两点间距离，θ和φ分别为接收线圈上的任意点相对于发射线圈n上的任意点的方位角和俯仰角，R
QN
的计算公式为：
[0013][0014]发射端控制器根据费雷拉公式计算发射线圈n的内阻R
n
，其计算公式为：
[0015]R
n
＝R
DC
+R
AC
，
[0016][0017][0018][0019]式中，R
DC
为发射线圈n的直流电阻，R
AC
为发射线圈n的交流电阻，ρ为铜的电阻率，m和N分别为线圈的层数和匝数，l
w
为发射线圈的铜线长度，ds为发射线圈的铜线直径，f为电流频率，单位为Hz，r
s
为发射线圈的铜线半径，n
s
为发射线圈的铜线的数量，f
h
为发射线圈的交流电阻值为直流电阻值两倍时的交流电频率，μ为介质的磁导率，k为导体中电线的面积与导体带绝缘体的面积之比；
[0020]发射端控制器根据M
n
和R
n
计算γ
n
，γ
n
为发射线圈n的效率系数，发射端控制器选择γ
n
的最大值所对应的发射线圈，将其用于无线电能传输，n＝1，2，...，N0。
[0021]当接收线圈与发射线圈的水平偏移距离h与垂直偏移距离d发生变化后，发射端控制器重新计算可切换线圈的每一个发射线圈与接收线圈的互感、每一个发射线圈内阻和效率系数，并选择效率系数最大的发射线圈，将其用于无线电能传输。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]本专利技术公开了一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，利用接收线圈与发射线圈的互感和内阻，计算其效率系数，通过使效率系数最大化，以达到抗偏移无线输电的目的，在线圈发生偏移的时实现了充电效率的最大化。
[0024]本专利技术的控制电路简单且损耗小，其成本低，且只需控制不同发射线圈的接入即可实现抗偏移的目标，同时可以实现在横向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其特征在于，包括信号发生器、功率放大器、可切换线圈、测距模块、控制器、接收线圈、负载和蓝牙模块；可切换线圈包含N0个可用于无线电能传输的发射线圈，信号发生器与功率放大器相连，功率放大器与可切换线圈相连，可切换线圈与测距模块相连，测距模块与控制器相连，信号发生器、功率放大器、可切换线圈和测距模块位于无线电能传输的发射端，可切换线圈与接收线圈间通过磁耦合进行无线电能传输，接收线圈与负载相连接，接收线圈与负载位于无线电能传输的接收端；蓝牙模块与控制器相连；控制器包括发射端控制器和接收端控制器；接收端控制器通过其所包含的电压表与电流表分别采集接收线圈的实时电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算接收线圈的实时接收功率P2；接收端控制器比较实时接收功率P2与负载额定功率P
Load
，并将接收功率P2与负载额定功率P
Load
通过蓝牙模块实时发送给发射端控制器；发射端控制器接收到蓝牙模块接发送的接收功率P2与负载额定功率P
Load
，测量发射线圈的当前发射功率P1，计算当前的系统传输效率计算接收功率P2与负载额定功率P
Load
的差值a＝(P2‑
P
Load
)，如果差值a大于0，计算当前发射端所需减少的发射功率P
a
＝a*η1，将发射线圈的发射功率减少P
a
，当前发射线圈的发射功率P
new
＝P1‑
P
a
；反之，如果差值a小于0，计算当前发射端所需增加的发射功率P
a
＝a*η1，将发射线圈的发射功率增加P
a
，当前发射线圈的发射功率P
new
＝P1+P
a
。2.如权利要求1所述的功率自适应的磁耦合无线电能传输充电方法，其特征在于，发射线圈n的内阻为R
n
，发射线圈n的补偿电容为C
n
，接收线圈L
RX
包含寄生电阻R
RX
和补偿电容C
RX
；接收线圈的电感为L
RX
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭东，张航，王长富，鲁长波，徐万里，周友杰，陈今茂，安高军，徐曦萌，孙彦丽，郑哲，
申请(专利权)人：军事科学院系统工程研究院军事新能源技术研究所，
类型：发明
国别省市：