一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法，該方法將雙向無線電能傳輸系統(tǒng)初級側(cè)和次級側(cè)中的諧振電容替換為真空可調(diào)電容器并分別連接一個步進電機；在雙向無線電能傳輸系統(tǒng)達到最大傳輸效率后，當(dāng)出現(xiàn)耦合線圈錯位時通過步進電機和真空可調(diào)電容器的共軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)整對應(yīng)真空可調(diào)電容器的容值，以調(diào)整系統(tǒng)諧振腔的諧振頻率，同時改變兩側(cè)變換器的開關(guān)頻率，使變換器的開關(guān)頻率和諧振腔的諧振頻率一致，最終使得系統(tǒng)頻率提高，以克服最大效率下降的問題。
【專利說明】
一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及無線電能傳輸領(lǐng)域，尤其是一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點 跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在雙向無線電能傳輸領(lǐng)域，如何實現(xiàn)能量高效地在兩側(cè)之間進行互動值得研究。 目前已出現(xiàn)如采用低損耗材質(zhì)繞制諧振線圈的方法來提升系統(tǒng)效率。同時，合理配置初級 側(cè)變換器出口電壓和次級側(cè)變換器出口電壓也是一種優(yōu)化系統(tǒng)傳輸效率的方法。但是，在 某些場合下，兩側(cè)的耦合線圈會發(fā)生錯位從而導(dǎo)致其耦合因數(shù)減小并因此使得優(yōu)化的效率 降低。如何采用簡單易行的方法實現(xiàn)對雙向無線電能傳輸系統(tǒng)最大效率點進行跟蹤亟待研 究，但目前對此問題的解決還未出現(xiàn)好的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] 發(fā)明目的：為解決對雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中因耦合線圈會發(fā)生錯位而導(dǎo)致其耦 合因數(shù)減小并因此使得優(yōu)化的效率降低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雙向無線電能傳輸系 統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法。
[0004] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：
[0005] -種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法，所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng) 包括拓撲結(jié)構(gòu)對稱的初級側(cè)和次級側(cè);初級側(cè)包括電源I、控制器I、變換器I和第一 LCL諧振 網(wǎng)絡(luò);次級側(cè)包括電源II、控制器II、變換器II和第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò);第一 LCL諧振網(wǎng)絡(luò)中的 第一諧振電容和第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò)中的第二諧振電容均為真空可調(diào)電容器，第一、第二諧振 電容的調(diào)節(jié)端分別與第一、第二步進電機的輸出端共軸連接，通過步進電機和真空可調(diào)電 容器的共軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)對應(yīng)真空可調(diào)電容器的容值，以改變系統(tǒng)諧振腔的諧振頻率;所述最 大效率點跟蹤方法包括步驟：
[0006] (1)調(diào)整初級側(cè)和次級側(cè)的控制器，使初級側(cè)和次級側(cè)變換器的輸出電壓幅值相 等，相位差為90°;此時所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸效率達到最大值，計算傳輸效 率最大值；當(dāng)初級側(cè)變換器輸出電壓超前于次級側(cè)變換器輸出電壓時，電能的流動方向為 初級側(cè)至次級側(cè)；當(dāng)次級側(cè)變換器輸出電壓超前于初級側(cè)變換器輸出電壓時，電能的流動 方向為次級側(cè)至初級側(cè)。
[0007] (2)當(dāng)所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)耦合線圈錯位時，通過第一、第二步進電機 調(diào)節(jié)第一、第二諧振電容的電容值，使得所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸效率保持在 步驟(1)中計算出的傳輸效率最大值；
[0008] (3)在步驟(2)進行的同時，通過初級側(cè)和次級側(cè)的控制器調(diào)節(jié)兩側(cè)變換器的開關(guān) 頻率，使兩側(cè)變換器的開關(guān)頻率與所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中諧振腔的諧振頻率保持一 致。
[0009] 進一步的，所述變換器I和變換器II均為單向全橋可變頻變換器。
[0010] 進一步的，所述步驟(1)中調(diào)節(jié)初級側(cè)和次級側(cè)變換器的輸出電壓幅值的方法為：
[0011] 通過調(diào)整初級側(cè)中控制器I輸出的驅(qū)動脈沖重疊角控制初級側(cè)變換器I的輸出電 壓幅值；
[0012] 通過調(diào)整次級側(cè)中控制器II輸出的驅(qū)動脈沖重疊角控制次級側(cè)變換器II的輸出 電壓幅值，使其與初級側(cè)變換器I的輸出電壓幅值相等，且相位差為90°。
[0013]有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法具備在雙向無線電能傳輸系統(tǒng)處 于最大傳輸效率點時，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)的諧振電容提高系統(tǒng)的諧振頻率的方法，克服由于線 圈錯位等不定因素而導(dǎo)致的系統(tǒng)最大效率降低的問題。該方法簡單易行，并具有補償精度 高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向無線電能傳輸系統(tǒng)最大功率點的快速跟蹤。
【附圖說明】
[0014] 圖1為雙向無線電能傳輸系統(tǒng)拓撲圖；
[0015] 圖2為步進電機與真空可調(diào)電容共軸結(jié)構(gòu)圖；
[0016] 圖3為真空可調(diào)電容容值曲線圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0018] 本發(fā)明提供一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法，如圖1所示為雙 向無線電能傳輸系統(tǒng)拓撲圖，該系統(tǒng)包括拓撲結(jié)構(gòu)對稱的初級側(cè)和次級側(cè);其中，初級側(cè)包 括電源I、控制器I、變換器I和第一 LCL諧振網(wǎng)絡(luò);次級側(cè)包括電源II、控制器II、變換器II和 第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò)。變換器I和變換器II為單向全橋可變頻變換器，變換器I由開關(guān)管S1~S4 組成，變換器II由開關(guān)管S5~S8組成;第一LCL諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)電阻R1、R2、串聯(lián)電感Lm、 諧振電感LI 1和諧振電容C1;第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)電阻R3、R4、串聯(lián)電感Ln、諧振電感 L21和諧振電容C2。電源I通過變換器I與第一 LCL諧振網(wǎng)絡(luò)相連，開關(guān)管S1~S4的通斷由控 制器I控制；電源II通過變換器II與第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò)相連，開關(guān)管S5~S8的通斷由控制器 II控制;諧振電容C1、C2均為真空可調(diào)電容，C1、C2的電容值調(diào)節(jié)端分別與第一、第二步進電 機共軸連接，如圖2所示。
[0019]圖1所示的雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的電路拓撲中，C1 = C2 = C，R1=R2 = R3 = R4 = R，L1=L11=L21=L2 = L，單相全橋可變頻變換器的頻率變化范圍為fmin~fmax;初級側(cè)和次 級側(cè)的諧振電容的容值曲線圖如圖3所示，變化范圍為C min~Cmax。設(shè)定系統(tǒng)的初始諧振頻率 為fo,并滿足fmin<l/23Tsqrt(LC maxXf()l/23Tsqrt(LCmin)彡彡fmax。系統(tǒng)兩側(cè)的諧振器的初始 耦合因數(shù)為ko,此時系統(tǒng)的傳輸效率達到最大。
[0020] 本發(fā)明的控制原理如下：
[0021] 當(dāng)兩側(cè)的控制器控制全橋可變頻變換器的輸出電壓幅值一致，相位差為90°時系 統(tǒng)的傳輸效率最大，當(dāng)初級側(cè)變換器輸出電壓相位超前于次級側(cè)變換器輸出電壓相位時， 電能的流動方向為初級側(cè)至次級側(cè)；當(dāng)次級側(cè)變換器輸出電壓相位超前于初級側(cè)變換器輸 出電壓相位時，電能的流動方向為次級側(cè)至初級側(cè)。
[0022]系統(tǒng)的傳輸效率最大值為：
[0024]其中：nf-dpt為電能從初級側(cè)流向次級側(cè)時最大傳輸效率，ru-c#為電能從次級側(cè)流 向初級側(cè)時最大傳輸效率。其中山=?6C4M2R+ ? W+ ? 2C2R，A2 = ? VMJ代表初級側(cè)和 次級側(cè)耦合線圈的互感，《為相位角速度。
[0025] 此時，最大效率因子即為h/h，
[0027]其中，k為初級側(cè)與次級側(cè)的耦合因數(shù)，將公式(2)近似處理為：
[0029]在能量無線傳輸過程中，當(dāng)某種外部因素造成耦合線圈錯位時，利用系統(tǒng)的初級 側(cè)控制器計算此時的耦合因數(shù)kmis，為了保持最大效率因子不變，必然會有：
[0031] 相應(yīng)地：
[0033]式中，Q為線圈的品質(zhì)因數(shù)，Qo為初始品質(zhì)因數(shù)，Qo = 2對oL/R; Qms為發(fā)生某種外部 因素造成耦合線圈錯位時要保持系統(tǒng)中最大效率因子不變所要求的品質(zhì)因數(shù)，Qmis = 23i flL/R。由于kmis < k〇 < 1，因此，Qmis > Qo，即此時需要提高f 0至f 1。利用系統(tǒng)的控制器計算此時 的耦合因數(shù)kmis，并同時把相關(guān)參數(shù)輸入至步進電機的控制器，驅(qū)動步進電機與真空可調(diào)電 容共軸旋轉(zhuǎn)降低電容值，提升諧振腔的諧振頻率至。待兩側(cè)諧振腔的諧振頻率穩(wěn)定于 時，再同時調(diào)節(jié)兩側(cè)單相全橋可變頻變換器的開關(guān)頻率至 fl，繼續(xù)完成能量的傳輸。
[0034] 基于上述控制原理，本發(fā)明提供的雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法 執(zhí)行步驟如下：
[0035] (1)調(diào)整初級側(cè)和次級側(cè)的控制器，使初級側(cè)和次級側(cè)變換器的輸出電壓幅值相 等，相位差為90°;此時所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸效率達到最大值，計算傳輸效 率最大值；
[0036] (2)當(dāng)所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)耦合線圈錯位時，通過第一、第二步進電機 調(diào)節(jié)第一、第二諧振電容的電容值，使得所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸效率保持在 步驟(1)中計算出的傳輸效率最大值；
[0037] (3)在步驟(2)進行的同時，通過初級側(cè)和次級側(cè)的控制器調(diào)節(jié)兩側(cè)變換器的開關(guān) 頻率，使兩側(cè)變換器的開關(guān)頻率與所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中諧振腔的諧振頻率保持一 致。
[0038]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法，其特征在于，所述雙向無線電 能傳輸系統(tǒng)包括拓撲結(jié)構(gòu)對稱的初級側(cè)和次級側(cè);初級側(cè)包括電源I、控制器I、變換器I和 第一 LCL諧振網(wǎng)絡(luò);次級側(cè)包括電源II、控制器II、變換器II和第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò);第一 LCL諧 振網(wǎng)絡(luò)中的第一諧振電容和第二LCL諧振網(wǎng)絡(luò)中的第二諧振電容均為真空可調(diào)電容器，第 一、第二諧振電容的調(diào)節(jié)端分別與第一、第二步進電機的輸出端共軸連接，通過步進電機和 真空可調(diào)電容器的共軸旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)對應(yīng)真空可調(diào)電容器的容值，以改變系統(tǒng)諧振腔的諧振 頻率;所述最大效率點跟蹤方法包括步驟： (1) 調(diào)整初級側(cè)和次級側(cè)的控制器，使初級側(cè)和次級側(cè)變換器的輸出電壓幅值相等，相 位差為90°;此時所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸效率達到最大值，計算傳輸效率最大 值； (2) 當(dāng)所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)耦合線圈錯位時，通過第一、第二步進電機調(diào)節(jié) 第一、第二諧振電容的電容值，使得所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中的傳輸效率保持在步驟 (1)中計算出的傳輸效率最大值； (3) 在步驟（2)進行的同時，通過初級側(cè)和次級側(cè)的控制器調(diào)節(jié)兩側(cè)變換器的開關(guān)頻 率，使兩側(cè)變換器的開關(guān)頻率與所述雙向無線電能傳輸系統(tǒng)中諧振腔的諧振頻率保持一 致。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法，其特征 在于，所述變換器I和變換器II均為單向全橋可變頻變換器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向無線電能傳輸系統(tǒng)的最大效率點跟蹤方法，其特征 在于，所述步驟(1)中調(diào)節(jié)初級側(cè)和次級側(cè)變換器的輸出電壓幅值的方法為： 通過調(diào)整初級側(cè)中控制器I輸出的驅(qū)動脈沖重疊角控制初級側(cè)變換器I的輸出電壓幅 值； 通過調(diào)整次級側(cè)中控制器II輸出的驅(qū)動脈沖重疊角控制次級側(cè)變換器II的輸出電壓 幅值，使其與初級側(cè)變換器I的輸出電壓幅值相等，且相位差為90°。
【文檔編號】H02J50/12GK105958667SQ201610391224
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】譚林林, 顏長鑫, 黃學(xué)良, 王維, 劉瀚, 郭金鵬
【申請人】東南大學(xué)