一种宽耦合系数变化范围的双向无线电能传输系统电路技术方案

一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑及控制策略，属于无线电能传输技术领域。电能传输系统电路包括两个多谐振结构、可变频电源、状态检测和频率控制器、变频控制策略模块、耦合机构和报警装置。本发明专利技术所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略，它适配于无线充电系统，所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略能够使无线电能传输系统适应更大的位移偏差。

A circuit topology and control strategy for a two-way radio energy stable transmission system suitable for wide coupling coefficient variation range

A circuit topology and control strategy for two-way wireless stable transmission system suitable for wide coupling coefficient range, which belongs to the field of radio energy transmission technology. The power transmission system consists of two multi resonant structures, a variable frequency power supply, a state detection and frequency controller, a frequency conversion control strategy module, a coupling mechanism and an alarm device. The frequency conversion control strategy based on the multi resonance compensation network is suitable for the wireless charging system, and the frequency conversion control strategy based on the multi resonance compensation network can make the radio transmission system adapt to larger displacement deviation.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑及控制策略
本专利技术涉及应用于无线充电系统的稳定传输功率的变频控制策略，属于无线电能传输

技术介绍
目前的无线电能传输技术，如手机无线充电、机器人、电动汽车无线充电等面临一个严峻的问题，随着耦合机构的空间位置偏离了最佳对准位置导致了电能传输系统耦合系数的变化，这一变化极大的降低了系统的传输功率，影响了设备的正常充电。所以现有技术对于线圈对准具有较高的要求。
技术实现思路
本专利技术目的是改善无线电能传输系统有效范围小，抗位移能力差的问题。该技术提供了一种基于多谐振补偿网络的变频控制策略。该技术将应用于手机无线充电、机器人、电动汽车无线充电以及双向无线电能传输当中。本专利技术给出了基于多谐振补偿结构的变频无线电能传输电路以及变频控制策略。本专利技术所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略，它适配于无线充电系统，所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略能够使无线电能传输系统适应更大的位移偏差。一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路，电能传输系统电路包括两个多谐振结构1、可变频电源2、状态检测和频率控制器3、变频控制策略模块4、耦合机构5和报警装置；一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的初级绕组端，并且，该多谐振结构1的两电源端与所述可变频电源2的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源2的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构5的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。进一步地，所述多谐振结构1采用双边LCC补偿网络结构、LCL补偿网络结构或复合串并联补偿网络结构等具有多谐振特性的补偿网络结构。进一步地，基于双边LCC补偿网络结构的电能传输系统电路包括可变频电源UP、两个谐振电感元件L1、两个谐振电容元件C1、两个谐振电容元件C2、耦合机构初级绕组L2、耦合机构次级绕组L2、电阻r2和负载RL、状态检测和频率控制器3和变频变频控制策略模块4；所述耦合机构初级绕组L2的两端分别串联一个谐振电容元件C2和电阻r2，并且，所述耦合机构初级绕组L2、一个谐振电容元件C2和电阻r2构成的串联结构与一个所述谐振电容元件C1构成一个并联谐振腔，该并联谐振腔与一个谐振电感元件L1串联，并且所述一个谐振电感元件L1与所述可变频电源UP串联；所述一个L2C1C2并联谐振腔与串联的一个谐振电感元件L1、可变频电源UP形成闭合回路；所述耦合机构次级绕组L2的一端串联另一谐振电容元件C2，所述耦合机构次级绕组L2与另一谐振电容元件C2构成的串联结构与另一所述谐振电容元件C1并联构成次级并联谐振腔；所述次级并联谐振腔与另一谐振电感元件L1串联，并且所述另一谐振电感元件L1与所述负载RL串联；所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源UP的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构初级绕组L2和耦合机构次级绕组L2的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。进一步地，所述双边LCC补偿网络结构的谐振频率分别为：其中，λ表示为电容比，具体表示为：所述双边LCC补偿网络结构的谐振电感元件L1和谐振电感元件L2的参数计算公式为：所述双边LCC补偿网络结构的变频点耦合系数为：其中，rp表示可变频电源内阻；r2表示线圈内阻；RL表示简化后的负载。进一步地，所述变频控制策略模块4采用的变频控制策略为：第一步：将可变频电源2的工作频率调制到使用频率三，并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率三时，所述电能传输系统电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输系统电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；第二步：如果第一步所述电能传输系统电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源2的工作频率调制到使用频率二；并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率二时，所述电能传输系统电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输系统电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；第三步：如果第二步所述电能传输系统电路的输出功率没有达到额定输出功率，则将可变频电源2的工作频率调制到使用频率一；并判断可变频电源2的工作频率调制到使用频率一时，所述电能传输系统电路的输出功率是否达到额定输出功率；如果所述电能传输系统电路的输出功率达到额定输出功率，则结束频率调节；如果所述电能传输系统电路的输出功率没有达到额定输出功率，则启动报警装置进行报警。进一步地，所述使用频率三的频率值范围为：85kHz±5kHz；所述使用频率二的频率值范围为：10kHz-85kHz；所述使用频率一的频率值范围为：85kHz-200kHz。(该频率范围根据目前行业标准设计，实际应用应根据实际需求按照前述频率公式进行设计)进一步地，所述变频控制策略模块4采用的变频控制策略为：步骤一：启动数据测量模块检测耦合机构之间(即耦合机构的初级绕组跟次级绕组之间)的距离；步骤二：将步骤一检测到的耦合机构之间的距离转化为耦合系数；步骤三：通过步骤二获得的耦合系数判断耦合机构所应选用的最佳输出频率进行能量传输；步骤四：如果耦合机构在充电中发生位移则重复步骤一。本专利技术有益效果：与现有单谐振频率无线电能传输系统相比，本专利技术所提出的这种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑及控制策略具有以下优点：1)通过使用多谐振补偿网络，使得系统能够在更多的谐振频率下进行无线电能传输，从而适应更宽范围的耦合系数变化，最终实现在较大位移内实现稳定的无线电能传输的目的。2)这一专利技术对无线电能传输系统设计思路以及控制方法做出了大幅改进。本专利技术所述基于多谐振补偿网络的变频控制策略所采用的补偿网络具有对称性，具有双向电能传输的能力。附图说明图1是本专利技术所述基于多谐振补偿网络的变频控制无线电能传输系统多谐振补偿网络示例电路图。图2是本专利技术所述系统原理框图。图3是本专利技术所述控制策略原理解析示意图。图4是本专利技术所述控制策略流程图。图5是本专利技术所述控制策略流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术不受实施例的限制。实施例1一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路，如图2所示，电能传输系统电路包括两个多谐振结构1、可变频电源2、状态检测和频率控制器3、变频控制策略模块4、耦合机构5和报警装置；一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的初级绕组端，并且，该多谐振结构1的两电源端与所述可变频电源2的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构1设置于耦合机构5的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器3的频率控制信号输出端与所述可变频电源2的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器3的耦合状态检测端与所述耦合机构5的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器3的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块4的变频控制策略信号输出端相连。实施例2实施例2是对实施例1所述适用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑，其特征在于，电能传输系统电路包括两个多谐振结构(1)、可变频电源(2)、状态检测和频率控制器(3)、变频控制策略模块(4)、耦合机构(5)和报警装置；一个所述多谐振结构(1)设置于耦合机构(5)的初级绕组端，并且，该多谐振结构(1)的两电源端与所述可变频电源(2)的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构(1)设置于耦合机构(5)的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器(3)的频率控制信号输出端与所述可变频电源(2)的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的耦合状态检测端与所述耦合机构(5)的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块(4)的变频控制策略信号输出端相连。

【技术特征摘要】
1.一种适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑，其特征在于，电能传输系统电路包括两个多谐振结构(1)、可变频电源(2)、状态检测和频率控制器(3)、变频控制策略模块(4)、耦合机构(5)和报警装置；一个所述多谐振结构(1)设置于耦合机构(5)的初级绕组端，并且，该多谐振结构(1)的两电源端与所述可变频电源(2)的两个供电端相连；另一个所述多谐振结构(1)设置于耦合机构(5)的次级绕组端；所述状态检测和频率控制器(3)的频率控制信号输出端与所述可变频电源(2)的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的耦合状态检测端与所述耦合机构(5)的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块(4)的变频控制策略信号输出端相连。2.根据权利要求1所述适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑，其特征在于，所述多谐振结构(1)采用双边LCC补偿网络结构、LCL补偿网络结构和复合串并联补偿网络结构。3.根据权利要求2所述适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑，其特征在于，基于双边LCC补偿网络结构的电能传输系统电路包括可变频电源UP、两个谐振电感元件L1、两个谐振电容元件C1、两个谐振电容元件C2、耦合机构初级绕组L2、耦合机构次级绕组L2、电阻r2和负载RL、状态检测和频率控制器3和变频变频控制策略模块(4)；所述耦合机构初级绕组L2的两端分别串联一个谐振电容元件C2和电阻r2，并且，所述耦合机构初级绕组L2、一个谐振电容元件C2和电阻r2构成的串联结构与一个所述谐振电容元件C1构成一个并联谐振腔，所述并联谐振腔与一个谐振电感元件L1串联，并且所述一个谐振电感元件L1与所述可变频电源UP串联；所述一个L2C1C2并联谐振腔与串联的一个谐振电感元件L1、可变频电源UP形成闭合回路；所述耦合机构次级绕组L2的一端串联另一谐振电容元件C2，所述耦合机构次级绕组L2与另一谐振电容元件C2构成的串联结构与另一所述谐振电容元件C1并联构成次级并联谐振腔；所述次级并联谐振腔与另一谐振电感元件L1串联，并且所述另一谐振电感元件L1与所述负载RL串联；所述状态检测和频率控制器(3)的频率控制信号输出端与所述可变频电源UP的频率控制信号输入端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的耦合状态检测端与所述耦合机构初级绕组L2和耦合机构次级绕组L2的耦合端相连；所述状态检测和频率控制器(3)的变频控制策略信号输入端与所述变频控制策略模块(4)的变频控制策略信号输出端相连。4.根据权利要求3所述适用于宽耦合系数变化范围的双向无线电能稳定传输系统电路拓扑，其特征在于，所述双边LCC补偿网络结构的谐振频率分别为：

【专利技术属性】
技术研发人员：魏国，杨超，朱春波，汪超，逯仁贵，宋凯，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23