一种磁耦合谐振式无线电能传输方法技术

本发明专利技术旨在提供一种磁耦合谐振式无线电能传输方法，利用了如下结构的无线充电装置：无线充电装置包括发射线圈移动平台和壳体以及接收线圈和SEPIC电路；发射线圈移动平台包括底座、竖直移动机构、水平移动机构、水平移动台、水平转向机构、角度转向机构、线圈安装平台、线圈支架、发射线圈、控制器、直流电压源、高频全桥逆变模块、电流传感器、接收端；利用无线充电装置调整发射线圈位置，使其位于对应接收线圈的最佳位置。本实发明专利技术通过在发射线圈加入机械控制结构，以及控制算法，以克服发射线圈与接收端间因位置，角度等偏移干扰而导致的系统传输效率减小的问题。并通过扰动观察法控制接收端的SEPIC电路实现系统最大功率的输出。接收端的SEPIC电路实现系统最大功率的输出。

【技术实现步骤摘要】
一种磁耦合谐振式无线电能传输方法


[0001]本专利技术涉及无线电能传输
，具体涉及一种磁耦合谐振式无线电能传输方法。

技术介绍

[0002]谐振式无线充电可以非接触式的让用电设备充电，而谐振式无线充电的发射线圈通常固定在一个地方，接收端设备会放置的很随意，每次充电的时候很容易存在位置上面的偏差，这种位置上的偏移很可能会使得系统在过耦合状态下或者在欠耦合状态下工作，在很大程度上影响着系统的传输效率。

技术实现思路

[0003]本专利技术旨在提供一种磁耦合谐振式无线电能传输方法，该磁耦合谐振式无线电能传输方法利用独特结构的无线充电装置，结合粒子群PI算法，能够实现对当前系统的频率锁定，达到抑制系统频率分裂和抑制系统欠耦合并提升系统的传输效率的目的。并且在接收端结合SEPIC电路加入扰动观察法控制算法，使得系统可以输出最大功率。
[0004]本专利技术的技术方案如下：
[0005]所述的磁耦合谐振式无线电能传输方法，应用了如下结构的无线充电装置：
[0006]所述的无线充电装置包括发射线圈移动平台、接收线圈；
[0007]所述的发射线圈移动平台包括底座、竖直移动机构、水平移动机构、水平移动台、水平转向机构、角度转向机构、线圈安装平台、线圈支架、发射线圈、控制器、直流电压源、高频全桥逆变模块、第一通讯模块、第一功率检测模块；
[0008]所述的竖直移动机构设于底座上，所述的水平移动机构设于竖直移动机构上，能够在竖直移动机构驱动下升降；所述的水平移动台设于水平移动机构上，能够在水平移动机构驱动下水平移动；所述的水平转向机构设于水平移动台顶面上；所述的角度转向机构设于水平转向机构上，能够在水平转向机构驱动下转动；所述的线圈支架设于角度转向机构上，所述的发射线圈设于线圈支架上。
[0009]所述的控制器、直流电压源、高频全桥逆变模块设于底座上；所述的直流电压源向各个用电模块供电，直流电压源通过高频全桥逆变模块对发射线圈供电；所述的控制器控制各个模块工作；
[0010]所述的第一通讯模块、第一功率检测模块设于线圈支架上，与控制器电连接；
[0011]其传输方法包括以下步骤：
[0012]A、将接收端置于发射线圈上方，控制器控制第一通讯模块、第一功率检测模块开始工作，第一功率检测模块检测出发射线圈的功率，并通过第一通讯模块向控制器发射功率，电压，电流信号，控制器控制水平移动机构驱动发射线圈分别向水平方向前后左右四个方向运动1cm，每个方向移动1cm后，恢复原位，然后进行下一个方向移动，控制器比较向每个方向移动后发射线圈的功率大小，控制水平移动机构驱动发射线圈向功率最大的位置移
动1cm，将移动后的位置作为下一组前后左右四个方向运动的原位；不断重复这个过程，直到功率在向下一个方向移动时没有上个时刻位置的功率大时，恢复到上个时刻位置，终止水平移动；
[0013]B、控制器控制角度转向机构驱动发射线圈在竖直面上转动，调整发射线圈与水平面角度，发射线圈角度偏移1度，然后控制水平转向机构驱动发射线圈在水平面上旋转360度，检测这一过程的功率；不断重复这一过程，直到发射线圈与水平方向呈现45度角，控制器根据功率最大值所对应的角度位置，通过控制角度转向机构和水平转向机构驱动发射线圈到达该位置；
[0014]C、控制器控制竖直移动机构驱动发射线圈上升1cm，控制器基于第一功率检测模块和第二功率检测模块得到功率计算出此时位置的效率，恢复原位，然后下降1cm，控制器基于第一功率检测模块和第二功率检测模块得到功率计算出此时位置的效率，比较向上移动位置和向下移动位置的效率大小，控制器控制竖直移动机构驱动发射线圈向效率更大的方向移动1cm，将移动后的位置作为下一组上升和下降运动的原位；如此往复，直到发射线圈到达效率最佳位置。
[0015]还包括以下步骤：
[0016]D、通过电流相位采样模块和电压相位采样模块获得当前发射线圈的电流和电压波形，输入控制器；控制器将电压与电流信号的相位相互比较得到误差信号，误差信号利用粒子群PID算法进行控制，使得电压电流相位差为0，通过控制器内部实现压控振荡器，并生成PWM波，驱动高频全桥逆变模块，实现系统的谐振。所述的电压相位采集模块、电流相位采集模块均设于线圈线圈支架上。
[0017]所述的接收端上设有第二通讯模块、第二功率检测模块；第二功率检测模块检测出接收线圈负载的功率，并通过第二通讯模块向控制器传输数据；
[0018]从步骤A
‑
D整个过程中，控制器设定采样时间间隔，利用第二功率检测模块检测接收线圈负载两端的负载功率和负载电压，控制器将读入的负载功率和负载电压经过扰动观察法算法计算并对SEPIC电路进行控制，其控制过程如下：
[0019]比较上一时刻和当前时刻的接收线圈负载端的功率大小；若当前时刻的负载功率大于上一时刻的负载功率时，比较当前时刻的负载电压和上一时刻的负载电压，若当前时刻的负载电压大于上一时刻的负载电压时，控制器器控制增加百分之一的占空比，若当前时刻的电压值小于等于上一时刻电压值时，控制器减小百分之一的占空比；若当前时刻负载功率小于上一时刻的负载功率时，比较当前时刻的负载电压和上一时刻的负载电压，若当前时刻的负载电压大于上一时刻的负载电压时，控制器增百分之一的占空比，若当前时刻的负载电压小于等于上一时刻的负载电压时，控制器减小百分之一的占空比；持续上述过程，直到当前时刻的负载功率等于上一时刻的负载功率，此时占空比达到最佳值，使得阻抗匹配，实现最大功率输出；控制器通过控制SEPIC电路中的MOSFET的通断来调整占空比；
[0020]每隔一定的时间，再继续进行一次上述过程，保证无线充电装置在最大功率的输出下工作。
[0021]所述的步骤C中系统中效率信息计算公式如下：
[0022][0023]其中，为交流电压源，I1为发射线圈所在回路的电流，ξ为失谐因子，δ为耦合因数j是虚部；R＝R1+R2+R3+R4，R1为电源阻抗，R2为发射线圈(14)阻抗，R3为接收端的阻抗，R4为负载的阻抗；L＝L1＝L2，L1为发射线圈的电感，L2为接收线圈的电感；ω为高频全桥逆变模块产生的频率；ω0为谐振回路的固有谐振频率；M为发射线圈和接收线圈的互感。
[0024]所述的竖直移动机构包括竖直步进电机、竖直传动机构、螺杆a、螺杆b；
[0025]所述的水平移动机构包括水平步进电机a、水平步进电机b、水平杆a、水平杆b、水平滑板a、水平托板a、水平托板b、水平滑板b、螺杆c、螺杆d；
[0026]所述的螺杆a或螺杆b中的一个的下端与竖直步进电机的输出轴连接，竖直步进电机安装于底座顶面的上，另一个的下端上通过安装轴承安装于底座的顶面上，螺杆a、螺杆b分别位于底座顶面的左侧和右侧；所述的竖直步进电机的输出轴竖直向上设置，螺杆a、螺杆b均为竖直设置；所述的螺杆a或螺杆b之间通过竖直传动机构连接；
[0027]所述的水平步进电机a的后端设有竖直传动螺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁耦合谐振式无线电能传输方法，其特征在于：应用了如下结构的无线充电装置：所述的无线充电装置包括发射线圈移动平台、接收线圈；所述的发射线圈移动平台包括底座(1)、竖直移动机构、水平移动机构、水平移动台(10)、水平转向机构、角度转向机构、线圈安装平台(26)、线圈支架(13)、发射线圈(14)、控制器、直流电压源、高频全桥逆变模块、第一通讯模块、第一功率检测模块；所述的竖直移动机构设于底座(1)上，所述的水平移动机构设于竖直移动机构上，能够在竖直移动机构驱动下升降；所述的水平移动台(10)设于水平移动机构上，能够在水平移动机构驱动下水平移动；所述的水平转向机构设于水平移动台(10)顶面上；所述的角度转向机构设于水平转向机构上，能够在水平转向机构驱动下转动；所述的线圈支架(13)设于角度转向机构上，所述的发射线圈(14)设于线圈支架(13)上；所述的控制器、直流电压源、高频全桥逆变模块设于底座(1)上；所述的直流电压源向各个用电模块供电，直流电压源通过高频全桥逆变模块对发射线圈(14)供电；所述的控制器控制各个模块工作；所述的第一通讯模块、第一功率检测模块设于线圈支架(13)上，与控制器电连接；其传输方法包括以下步骤：A、将接收端置于发射线圈上方，控制器控制第一通讯模块、第一功率检测模块开始工作，第一功率检测模块检测出发射线圈(14)的功率，并通过第一通讯模块向控制器发射功率，电压，电流信号，控制器控制水平移动机构驱动发射线圈分别向水平方向前后左右四个方向运动1cm，每个方向移动1cm后，恢复原位，然后进行下一个方向移动，控制器比较向每个方向移动后发射线圈(14)的功率大小，控制水平移动机构驱动发射线圈向功率最大的位置移动1cm，将移动后的位置作为下一组前后左右四个方向运动的原位；不断重复这个过程，直到功率在向下一个方向移动时没有上个时刻位置的功率大时，恢复到上个时刻位置，终止水平移动；B、控制器控制角度转向机构驱动发射线圈在竖直面上转动，调整发射线圈与水平面角度，发射线圈角度偏移1度，然后控制水平转向机构驱动发射线圈在水平面上旋转360度，检测这一过程的功率；不断重复这一过程，直到发射线圈与水平方向呈现45度角，控制器根据功率最大值所对应的角度位置，通过控制角度转向机构和水平转向机构驱动发射线圈到达该位置；C、控制器控制竖直移动机构驱动发射线圈上升1cm，控制器基于第一功率检测模块和第二功率检测模块得到功率计算出此时位置的效率，恢复原位，然后下降1cm，控制器基于第一功率检测模块和第二功率检测模块得到功率计算出此时位置的效率，比较向上移动位置和向下移动位置的效率大小，控制器控制竖直移动机构驱动发射线圈向效率更大的方向移动1cm，将移动后的位置作为下一组上升和下降运动的原位；如此往复，直到发射线圈到达效率最佳位置。2.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输方法，其特征在于：还包括以下步骤：D、通过电流相位采样模块和电压相位采样模块获得当前发射线圈(14)的电流和电压波形，输入控制器；控制器将电压与电流信号的相位相互比较得到误差信号，误差信号利用
粒子群PID算法进行控制，使得电压电流相位差为0，通过控制器内部实现压控振荡器，并生成PWM波，驱动高频全桥逆变模块，实现系统的谐振；所述的电压相位采集模块、电流相位采集模块均设于线圈线圈支架(13)上。3.如权利要求2所述的磁耦合谐振式无线电能传输方法，其特征在于：所述的接收端上设有第二通讯模块、第二功率检测模块；第二功率检测模块检测出接收线圈负载的功率，并通过第二通讯模块向控制器传输数据；从步骤A
‑
D整个过程中，控制器设定采样时间间隔，利用第二功率检测模块检测接收线圈负载两端的负载功率和负载电压，控制器将读入的负载功率和负载电压经过扰动观察法算法计算并对SEPIC电路进行控制，其控制过程如下：比较上一时刻和当前时刻的接收线圈负载端的功率大小；若当前时刻的负载功率大于上一时刻的负载功率时，比较当前时刻的负载电压和上一时刻的负载电压，若当前时刻的负载电压大于上一时刻的负载电压时，控制器器控制增加百分之一的占空比，若当前时刻的电压值小于等于上一时刻电压值时，控制器减小百分之一的占空比；若当前时刻负载功率小于上一时刻的负载功率时，比较当前时刻的负载电压和上一时刻的负载电压，若当前时刻的负载电压大于上一时刻的负载电压时，控制器增百分之一的占空比，，若当前时刻的负载电压小于等于上一时刻的负载电压时，控制器减小百分之一的占空比；持续上述过程，直到当前时刻的负载功率等于上一时刻的负载功率，此时占空比达到最佳值，使得阻抗匹配，实现最大功率输出；控制器通过控制SEPIC电路中的MOSFET的通断来调整占空比；每隔一定的时间，再继续进行一次上述过程，保证无线充电装置在最大功率的输出下工作。4.如权利要求2所述的磁耦合谐振式无线电能传输方法，其特征在于：所述的步骤C中系统中效率信息计算公式如下：其中，为交流电压源，I1为发射线圈所在回路的电流，ξ为失谐因子，δ为耦合因数j是虚部；R＝R1+R2+R3+R4，R1为电源阻抗，R2为发射线圈(14)阻抗，R3为接收端的阻抗，R4为负载的阻抗；L＝L1＝L2，L1为发射线圈的电感，L2为接收线圈的电感；ω为高频全桥逆变模块产生的频率；ω0为谐振回路的固有谐振频率；M为发射线圈和接收线圈的互感。5.如权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输方法，其特征在于：所述的竖直移动机构包括竖直步进电机(2)、竖直传动机构(3)、螺杆a(15)、螺杆b(17)；所述的水平移动机构包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：高远，王胜，袁海英，王月武，陈文辉，
申请(专利权)人：广西科技大学，
类型：发明
国别省市：