阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法转让专利
申请号 : CN202010238149.9
文献号 : CN111313567B
文献日 : 2021-07-20
发明人 : 杨奕 , 谢诗云 , 叶庆 , 郭科 , 孙远航 , 赵佩佩 , 周强
申请人 : 重庆理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种阵列式移相控制无线电能传输系统,包括发射端和接收端,其特征在于,所述发射端包括电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块、能量发射模块和第一控制模块,所述接收端包括能量接收模块、副边DC/DC模块、第二检测模块、输出接口和第二控制模块;
所述能量发射模块按照M×N阵列式设置有多个LC发射单元,所述第一控制模块连接所述电源模块、原边DC/DC模块、第一检测模块和能量发射模块,并产生M×N路具有一定相位差的PWM信号分别控制M×N个LC发射单元中的开关元件,使其在一个周期内轮流发送电能;
所述能量接收模块按照M×N阵列式设置有多个LC接收单元,每一个LC接收单元连接一个副边DC/DC模块,所述第二控制模块连接所述能量接收模块、副边DC/DC模块和第二检测模块,所述第二控制模块通过控制M×N个副边DC/DC模块输出端的串并联状态来控制所述输出接口的输出电压和输出功率;
所述M和N均为正整数,且至少一个大于1;
每个所述LC发射单元包括发射线圈L和谐振电容C2构成的串联支路,在所述串联支路的两端还并联有滤波电容C1,在所述谐振电容C2的两端连接所述开关元件;
所述第一控制模块还以n个PWM周期作为一个大周期,在同一大周期内,每个PWM周期中LC发射单元移相的顺序不同,n为大于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的阵列式移相控制无线电能传输系统,其特征在于:所述第一控制模块和所述第二控制模块上分别连接有通信模块,二者通过无线通信。
3.根据权利要求2所述的阵列式移相控制无线电能传输系统,其特征在于:所述通信模块为蓝牙模块。
4.根据权利要求1‑3任一所述的阵列式移相控制无线电能传输系统,其特征在于:所述能量发射模块中的LC发射单元包括发射线圈和谐振电容构成的并联谐振发射电路。
5.根据权利要求4所述的阵列式移相控制无线电能传输系统,其特征在于:所述能量接收模块中的LC接收单元包括接收线圈和谐振电容构成的并联谐振接收电路、整流电路和谐振补偿电路。
6.根据权利要求1或2所述的阵列式移相控制无线电能传输系统,其特征在于:所述第一检测模块为电流检测模块,所述第二检测模块为电压检测模块,所述第二控制模块通过通信模块将所述第二检测模块检测的电压值反馈至所述第一控制模块,所述第一控制模块根据所述第一检测模块检测的电流值和所述第二控制模块反馈的电压值调节所述原边DC/DC模块的输出电压。
7.如权利要求1‑6任一所述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法,其特征在于:所述第一控制模块根据所述能量发射模块中LC发射单元的个数设置移相角度然后在每一个PWM周期内,按照预定的顺序依次移相角度α来设定每个LC发射单元中开关元件驱动信号的相位值。
8.如权利要求7所述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法,其特征在于:当负载电流变化时,所述第二控制模块先控制副边DC/DC模块来改变电压输出;当副边DC/DC模块输出电压无法维持稳定时,所述第二控制模块发送信息至所述第一控制模块,所述第一控制模块再控制所述原边DC/DC模块来提高发射端输出功率。
9.如权利要求8所述阵列式移相控制无线电能传输系统的控制方法,其特征在于:在接收端接入时,所述第一控制模块通过扫频方式改变LC发射单元的PWM驱动信号频率,使其达到最佳谐振状态。
说明书 :
阵列式移相控制无线电能传输系统及其控制方法
技术领域
背景技术
波无线电能传输。目前,感应耦合无线电能传输在实际中得到了较多应用,如电动汽车无线
充电、植入式医疗设备、无尾家电、海洋勘探、地下矿山供电等。
LC谐振逆变电路谐振电压较高,运行中开关管两端承受的电压高达系统装置的几倍以上。
因此限制了无线电能传输的功率。若要实现中功率,甚至大功率无线电能传输,就要对电能
传输装置进行串联或者并联,若并联后采用同相控制,则电流电压纹波会进一步叠加。
发明内容
高了无线充电效率。
接收端包括能量接收模块、副边DC/DC模块、第二检测模块、输出接口和第二控制模块;
相位差的PWM信号分别控制M×N个LC发射单元中的开关元件,使其在一个周期内轮流发送
电能;
二检测模块,所述第二控制模块通过控制M×N个副边DC/DC模块输出端的串并联状态来控
制所述输出接口的输出电压和输出功率;
模块,所述第一控制模块根据所述第一检测模块检测的电流值和所述第二控制模块反馈的
电压值调节所述原边DC/DC模块的输出电压。
相角度 然后在每一个PWM周期内,按照预定的顺序依次移相角度α来设定每个LC
发射单元中开关元件驱动信号的相位值。
控制模块,所述第一控制模块再控制所述原边 DC/DC模块来提高发射端输出功率。
附图说明
具体实施方式
用于限定本发明。
块3、能量发射模块4(本例中采用M×N阵列式 LC发射模块)和第一控制模块9,在第一控制
模块9上连接有第一蓝牙模块 10;接收端包括能量接收模块5(本例中采用M×N阵列式LC接
收模块)、副边DC/DC模块6(图中表示为DC/DC模块2)、电压检测模块7、输出接口8 和第二控
制模块12,在第二控制模块12上连接有第二蓝牙模块11。
第二控制模块12交换信息,传递控制信号。
边的输出功率,能量发射模块4中的LC发射单元包括发射线圈和谐振电容构成的并联谐振
发射电路,第一控制模块9通过产生 M×N路具有一定相位差的PWM信号来分别控制M×N个
LC发射单元中的开关元件,使其在一个周期内轮流发送电能。
块6和电压检测模块7,第二控制模块12 通过控制M×N个副边DC/DC模块6输出端的串并联
状态来控制所述输出接口的输出电压和输出功率。
串联可以增大输出电压,并联则可以增大输出电流,因此,基于负载需求,也可以通过改变
多个LC接收单元的串并联状态来调整输出功率。比如,以2×3阵列式发射接收,每个副边
DC/DC模块输出5V、2A 的功率。共6个LC发射接收模块。将此6个接收端模块可以分成2组,一
组 3个副边DC/DC模块串联,构成输出电压15V、输出电流2A的功率模块。再将这两组进行并
联,得到输出电压达到15V,输出电流达到4A的模块,此时整个接收端输出功率60W,从而达
到增大了输出功率的目的。
的。
样电流最小值所对应的频率就是最佳工作频率,通过调节原边DC/DC模块2输出电压来实现
充电功率的控制。
模块2进行控制,动态改变能量发射模块4的输入电压。
然后在每一个PWM周期内,按照预定的顺序依次移相角度α来设定每个LC发射单
元中开关元件驱动信号的相位值。
发射端E为相位零点,经过D、G、H、 I、F、C、B、A时PWM相位依次延迟40度,最终到达发射端A延
迟360度。如此循环反复,发射能量,通过移相的控制方案,达到减小电源电流峰值、改善电
源电流波形,同时减小系统的无功损耗,提高无线充电效率的目的。
D、G,此时同样是以发射端E为起点,假定此时发射端E的PWM相位为0度,则经过H、I、F、C、B、
A、D、G 时PWM相位依次延迟40度,最终到达发射端G延迟360度。
终到达发射端I延迟360度。
度,最终到达发射端C延迟360 度。
值、改善电源电流波形,同时减小了系统的无功损耗,提高的无线充电效率。
块,所述第一控制模块再控制所述原边DC/DC模块来提高发射端输出功率。
测模块7对副边DC/DC模块6输出电压进行检测,将信号传输给第二控制模块12,第二控制模
块12将其与目标电压值进行比较,经过PI算法调整第二控制模块12输出的PWM信号占空比,
进而稳定接收端副边DC/DC模块6电压输出。
牙模块11传输给第一控制模块9并与目标电压值进行比较,当负载电压降落超出理想稳定
电压5%时,将会经过PI算法调整第一控制模块9输出的PWM信号占空比,改变原边DC/DC模
块2输出电压,从而提高发射端输出功率,保证原边DC/DC模块2输出电压能够稳定输出。
方式来控制谐振状态。其具体方式如下:电流检测模块3 对发射端电流进行检测,将信号传
输给第一控制模块9,第一控制模块9利用并联谐振发射端电流最小这一特征,通过一定的
算法改变谐振发射模块的 PWM驱动信号频率,使谐振发射模块达到最佳谐振状态,优化电
流波形。
射端电源电流波形及发射端谐振波形。通过测试发现,按传统模式将发射端同时同相发射
时,其电源电流峰峰值为18A;按照本发明提出的移相发射时,其电源电流峰峰值为0.4A,可
以看出,在不加接收端的情况下,采取移相控制方案,可大大减小电源电流,从而减小M×N
阵列式无线充电的静态损耗,从而提高无线传输效率。
效率。
而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固
有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括
该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多
形式,这些均属于本发明的保护之内。