一种具有接收效率最大化的磁耦合谐振无线电能传输控制方案

技术领域

本发明属于电气工程领域技术领域，特别涉及一种具有接收效率最大化的磁耦合谐振无线电能传输控制方案。

背景技术

无线电能传输的方式含电磁感应式、磁耦合谐振式以及无线电波式，前两者的基本原理为利用电能与磁能相互转换实现能量传输，由于无线电波式传输效率很低，提升功率带来的负面效应较大，因此三者中电磁感应式与磁耦合谐振式最受关注，但是电磁感应式的传输距离很短，传输效率随着距离的增加急剧减小，其较成熟的方案基本是小功率、近距离的无线充电，有效传输距离只有几厘米甚至更短。而磁耦合谐振式无线输电传输具有传输效率较高，传输距离较远的特点，它基于谐振原理，当谐振网络两端的电流信号和电压信号同相时，系统达到谐振，在此状态下谐振网络呈纯阻性，这时系统传输效率也最高。传输效率与激励频率以及初级线圈和次级线圈的距离密切相关。整个系统的工作频率由高频逆变器决定，若高频电源的频率与发射回路的固有频率不匹配，发射线圈从电源索取的效率不能最大化；发射回路和接收回路的固有谐振频率存在偏差时，负载能接受的功率也比谐振时低。当外部条件变化时，谐振频率也会发生变化，尤其是负载谐振网络，这就需要系统及时调整高频电源的输出频率，使系统始终在谐振频率很小的范围内工作。调整频率需要通过检测谐振状态并进行控制，现有的方法很难快速精确地实现频率跟踪。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的专利的目的在于提供一种具有接收效率最大化的磁耦合谐振无线电能传输控制方案，能够实时监测负载回路的谐振状态，及时调整使系统在谐振频率很小的范围内工作，保持高效传输；同时使用毫欧级电阻及隔离放大对电流进行采样，对电路的影响较小且精度较高。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种根据锁相环的接收效率最大化的磁耦合谐振无线电能传输控制方案，包括采用锁相环进行频率自适应调节、采用多级线圈形成较长磁通回路，增加传输距离、使用毫欧级电阻进行电流采样。

优选的，各级线圈中可调电容用于配置谐振网络的固有频率。

优选的，正弦波检测电路用于检测各级谐振回路中电感或电容两端电压波形是否为正弦波，判断谐振状态。

优选的，电流采样系统包括毫欧级电阻模块与放大模块，所述放大模块与电阻模块并联。

优选的，通过检测电阻两端的电压间接得到流过回路的电流相位与幅值信息。

优选的，电流采样放大器的输出信号接入锁相环电路的反馈端，以获取电流相位。输出信号经处理转换为幅值信息并传送给控制器，控制器以此信号判断电流大小，从而改变驱动高频逆变器开关管PWM波的占空比来改变高频逆变器输出功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)降低了相位检测电路和控制电路的成本。

(2)使用多级线圈谐振，增加传输距离。

(3)由于系统工作特性，电感一般为定制或手工绕制，不同线圈电感值参数较分散且不易调节；电容的选用可利用多电容并联及采用可调电容，配置及调试较方便。

(4)利用电阻对电流进行采样精度较高，响应快，既可用于交流电流也可用于直流电流检测；可在频率较高的场合使用，毫欧级电阻对电路的影响也较小。可准确判断电路工作状态，避免输出过流导致器件损坏。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明的系统工作流程图。

图3是本发明的电流采样放大电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的叙述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，一种根据锁相环的接收效率最大化的磁耦合谐振无线电能传输控制方案，包括：频率、占空比控制电路；高频逆变电路；多级线圈谐振网络；正弦波检测电路；基于锁相环的频率自适应调节调节反馈系统；负载谐振网络电流采样电路；负载谐振网络电压采样电路。

搭建系统时的调谐过程：首先根据系统预设工作频率配置发射谐振回路的电感与电容，依据公式

系统正常工作时的自动调谐过程：若出现不明因素突然使系统频率发生变化，使得控制频率偏离谐振网络固有频率，此时传输效率会下降，需要系统能够回到最佳状态就可以通过基于锁相环的频率自适应调节环路实现。如图2所示将负载级谐振网络采样得到的信号经过处理接入锁相环，锁相环会输出一个调节后的信号，此信号能够控制高频逆变器的输出频率，改变谐振网络的激励频率。若谐振网络的电压与电流信号有相位差，锁相环的输出就会变化直到电流与电压的相位相同，即电路谐振，锁相环的输出稳定，频率保持不变。

如图3所示电流采样电路包括毫欧级电阻模块以及放大模块，电流流过采样电阻，信号经过精密高速电压放大器后接入锁相环的反馈端。随后如图1所示，信号经过幅值检测后传送给控制器以改变高频逆变器开关管PWM波的占空比。占空比越大，开关管的导通时间越长，高频逆变器输出的功率就越大，流过谐振网络的电流峰值也会越大。流过谐振网络的电流峰值也会越大。当控制器检测到幅值超过某设定阈值，则减小PWM波占空比，直到输出不再超过阈值，此时停止对占空比的调制并保持；若检测到较高且长时间(数秒)的直流信号，可以判断谐振网络或高频逆变器内出现短路现象，控制器可发出命令停止对高频电源的供电，以防更多器件损坏。

本专利所述系统可使用DSP控制方案实现输出频率对谐振频率的跟踪和整体算法的调控，也可使用FPGA或MCU实现控制过程。

以上所述仅为本发明较佳的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，但凡熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，所作的等效修饰或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。