一种双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法

摘要

本发明提供一种双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法，该方法将双向无线电能传输系统初级侧和次级侧中的谐振电容替换为真空可调电容器并分别连接一个步进电机；在双向无线电能传输系统达到最大传输效率后，当出现耦合线圈错位时通过步进电机和真空可调电容器的共轴旋转，调整对应真空可调电容器的容值，以调整系统谐振腔的谐振频率，同时改变两侧变换器的开关频率，使变换器的开关频率和谐振腔的谐振频率一致，最终使得系统频率提高，以克服最大效率下降的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，尤其是一种双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法。

背景技术

在双向无线电能传输领域，如何实现能量高效地在两侧之间进行互动值得研究。目前已出现如采用低损耗材质绕制谐振线圈的方法来提升系统效率。同时，合理配置初级侧变换器出口电压和次级侧变换器出口电压也是一种优化系统传输效率的方法。但是，在某些场合下，两侧的耦合线圈会发生错位从而导致其耦合因数减小并因此使得优化的效率降低。如何采用简单易行的方法实现对双向无线电能传输系统最大效率点进行跟踪亟待研究，但目前对此问题的解决还未出现好的方法。

发明内容

发明目的：为解决对双向无线电能传输系统中因耦合线圈会发生错位而导致其耦合因数减小并因此使得优化的效率降低的技术问题，本发明提供一种双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法，所述双向无线电能传输系统包括拓扑结构对称的初级侧和次级侧；初级侧包括电源I、控制器I、变换器I和第一LCL谐振网络；次级侧包括电源II、控制器II、变换器II和第二LCL谐振网络；第一LCL谐振网络中的第一谐振电容和第二LCL谐振网络中的第二谐振电容均为真空可调电容器，第一、第二谐振电容的调节端分别与第一、第二步进电机的输出端共轴连接，通过步进电机和真空可调电容器的共轴旋转，调节对应真空可调电容器的容值，以改变系统谐振腔的谐振频率；所述最大效率点跟踪方法包括步骤：

(1)调整初级侧和次级侧的控制器，使初级侧和次级侧变换器的输出电压幅值相等，相位差为90°；此时所述双向无线电能传输系统中的传输效率达到最大值，计算传输效率最大值；当初级侧变换器输出电压超前于次级侧变换器输出电压时，电能的流动方向为初级侧至次级侧；当次级侧变换器输出电压超前于初级侧变换器输出电压时，电能的流动方向为次级侧至初级侧。

(2)当所述双向无线电能传输系统出现耦合线圈错位时，通过第一、第二步进电机调节第一、第二谐振电容的电容值，使得所述双向无线电能传输系统中的传输效率保持在步骤(1)中计算出的传输效率最大值；

(3)在步骤(2)进行的同时，通过初级侧和次级侧的控制器调节两侧变换器的开关频率，使两侧变换器的开关频率与所述双向无线电能传输系统中谐振腔的谐振频率保持一致。

进一步的，所述变换器I和变换器II均为单向全桥可变频变换器。

进一步的，所述步骤(1)中调节初级侧和次级侧变换器的输出电压幅值的方法为：

通过调整初级侧中控制器I输出的驱动脉冲重叠角控制初级侧变换器I的输出电压幅值；

通过调整次级侧中控制器II输出的驱动脉冲重叠角控制次级侧变换器II的输出电压幅值，使其与初级侧变换器I的输出电压幅值相等，且相位差为90°。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的方法具备在双向无线电能传输系统处于最大传输效率点时，通过调节两侧的谐振电容提高系统的谐振频率的方法，克服由于线圈错位等不定因素而导致的系统最大效率降低的问题。该方法简单易行，并具有补偿精度高的特点，能够实现双向无线电能传输系统最大功率点的快速跟踪。

附图说明

图1为双向无线电能传输系统拓扑图；

图2为步进电机与真空可调电容共轴结构图；

图3为真空可调电容容值曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明提供一种双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法，如图1所示为双向无线电能传输系统拓扑图，该系统包括拓扑结构对称的初级侧和次级侧；其中，初级侧包括电源I、控制器I、变换器I和第一LCL谐振网络；次级侧包括电源II、控制器II、变换器II和第二LCL谐振网络。变换器I和变换器II为单向全桥可变频变换器，变换器I由开关管S1～S4组成，变换器II由开关管S5～S8组成；第一LCL谐振网络包括串联电阻R1、R2、串联电感Lm、谐振电感L11和谐振电容C1；第二LCL谐振网络包括串联电阻R3、R4、串联电感Ln、谐振电感L21和谐振电容C2。电源I通过变换器I 与第一LCL谐振网络相连，开关管S1～S4的通断由控制器I控制；电源II通过变换器II与第二LCL谐振网络相连，开关管S5～S8的通断由控制器II控制；谐振电容C1、C2均为真空可调电容，C1、C2的电容值调节端分别与第一、第二步进电机共轴连接，如图2所示。

图1所示的双向无线电能传输系统的电路拓扑中，C1＝C2＝C，R1＝R2＝R3＝R4＝R，L1＝L11＝L21＝L2＝L，单相全桥可变频变换器的频率变化范围为f_min～f_max；初级侧和次级侧的谐振电容的容值曲线图如图3所示，变化范围为C_min～C_max。设定系统的初始谐振频率为f₀，并满足f_min≤1/2πsqrt(LC_max)≤f₀1/2πsqrt(LC_min)≤≤f_max。系统两侧的谐振器的初始耦合因数为k₀，此时系统的传输效率达到最大。

本发明的控制原理如下：

当两侧的控制器控制全桥可变频变换器的输出电压幅值一致，相位差为90°时系统的传输效率最大，当初级侧变换器输出电压相位超前于次级侧变换器输出电压相位时，电能的流动方向为初级侧至次级侧；当次级侧变换器输出电压相位超前于初级侧变换器输出电压相位时，电能的流动方向为次级侧至初级侧。

系统的传输效率最大值为：

${\eta }_{f-opt}={\eta }_{i-opt}=\frac{\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}-1}{\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}+1}---\left(1\right)$

其中：η_f-opt为电能从初级侧流向次级侧时最大传输效率，η_i-opt为电能从次级侧流向初级侧时最大传输效率。其中，λ₁＝ω⁶C⁴M²R+ω⁴C⁴R³+ω²C²R，λ₂＝ω³C²M。M代表初级侧和次级侧耦合线圈的互感，ω为相位角速度。

此时，最大效率因子即为λ₂/λ₁，

$\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}=\sqrt{\frac{k^2{Q}^6}{Q^4{k}^4+2Q^2(Q^2+1)k^2+{(Q^2+1)}^2}}---\left(2\right)$

其中，k为初级侧与次级侧的耦合因数，将公式(2)近似处理为：

$\frac{{\lambda }_2}{{\lambda }_1}=\sqrt{\frac{k^2{Q}^6}{Q^4{k}^4+2Q^4{k}^2+Q^4}}---\left(3\right)$

在能量无线传输过程中，当某种外部因素造成耦合线圈错位时，利用系统的初级侧控制器计算此时的耦合因数k_mis，为了保持最大效率因子不变，必然会有：

$\frac{{k_0}^2{Q_0}^6}{{Q_0}^4{k_0}^4+2{Q_0}^4{k_0}^2+{Q_0}^4}=\frac{{k_{mis}}^2{Q_{mis}}^6}{{Q_{mis}}^4{k_{mis}}^4+2{Q_{mis}}^4{k_{mis}}^2+{Q_{mis}}^4}---\left(4\right)$

相应地：

$\frac{Q_0}{Q_{mis}}=\sqrt{T\frac{{k_0}^2+\frac{1}{{k_0}^2}+2}{{k_{mis}}^2+\frac{1}{{k_{mis}}^2}+2}}---\left(5\right)$

式中，Q为线圈的品质因数，Q₀为初始品质因数，Q₀＝2πf₀L/R；Q_mis为发生某种外部因素造成耦合线圈错位时要保持系统中最大效率因子不变所要求的品质因数，Q_mis＝2πf₁L/R。由于k_mis＜k₀＜1，因此，Q_mis＞Q₀，即此时需要提高f₀至f₁。利用系统的控制器计算此时的耦合因数k_mis，并同时把相关参数输入至步进电机的控制器，驱动步进电机与真空可调电容共轴旋转降低电容值，提升谐振腔的谐振频率至f₁。待两侧谐振腔的谐振频率稳定于f₁时，再同时调节两侧单相全桥可变频变换器的开关频率至f₁，继续完成能量的传输。

基于上述控制原理，本发明提供的双向无线电能传输系统的最大效率点跟踪方法执行步骤如下：

(1)调整初级侧和次级侧的控制器，使初级侧和次级侧变换器的输出电压幅值相等，相位差为90°；此时所述双向无线电能传输系统中的传输效率达到最大值，计算传输效率最大值；

(2)当所述双向无线电能传输系统出现耦合线圈错位时，通过第一、第二步进电机调节第一、第二谐振电容的电容值，使得所述双向无线电能传输系统中的传输效率保持在步骤(1)中计算出的传输效率最大值；

(3)在步骤(2)进行的同时，通过初级侧和次级侧的控制器调节两侧变换器的开 关频率，使两侧变换器的开关频率与所述双向无线电能传输系统中谐振腔的谐振频率保持一致。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。