一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及无线电能传输或非接触电能传输的技术领域，尤其是指一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统及其控制方法。


背景技术：

2.无线电能传输技术由于其非接触式的能量传输具有广阔的应用前景。在现有几种无线电能传输技术中，磁耦合谐振无线电能传输技术在原理上具有灵活性和安全性的突出优点，能实现适当距离下的无线电能传输。其成熟应用预计能对家居、医疗、军事等诸多领域带来重大发展。
3.目前限制磁耦合无线电能传输进一步推广应用的主要原因是：1、系统需运行在谐振频率才能实现能量的高功效传输，而负载、环境的变化或电路元件老化都易使谐振频率发生偏移从而出现失谐现象；2、引入副边通信设备控制系统工作频率进行调谐会提高电路成本，且控制复杂。
4.孤立波(或孤子)是非线性科学中的一个概念，是当前多个领域都在研究的热门技术之一，其在非线性光学上的研究发展使光通信技术得到了极大的突破。
5.无线电能传输技术以电磁波作为能量传输介质，而光即是一种特殊的电磁波。借鉴孤立波技术，提出一种新的磁耦合谐振无线电能传输系统的控制理论具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统，该系统采样原边电流而免去副边通信设备，以达到低成本、高功效、控制简单、稳定的无线电能传输的目的。
7.本发明的第二目的在于提供一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统的控制方法。
8.本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统，包括非线性电力电子变换器、时间孤立波状态控制器和磁耦合谐振无线电能传输电路；所述非线性电力电子变换器根据时间孤立波状态控制器的输入产生高频方波交流电，作为电源驱动磁耦合谐振无线电能传输结构运行；所述时间孤立波状态控制器由采样电路、孤立波解算器和驱动电路组成，所述采样电路分别与磁耦合谐振无线电能传输结构的原边和孤立波解算器连接，所述孤立波解算器与驱动电路连接，所述驱动电路与非线性电力电子变换器的逆变电路连接，用于驱动非线性电力电子变换器；所述孤立波状态控制器采样磁耦合无线电能传输结构的原边电流，根据谐振频率对结构各参数的色散规律，经过孤立波解算器求解后实时产生相应频率的驱动信号，使非线性电力电子变换器的非线性效应与谐振频率的色散规律平衡。
9.优选的，所述孤立波解算器为比较器，所述采样电路采样磁耦合谐振无线电能传输结构的原边电流并输入比较器的“ ”输入端，
“‑”
输入端接地，比较器输出经驱动电路放
大后驱动非线性电力电子变换器的逆变电路，所述非线性电力电子变换器由直流电压源及由第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管构成的逆变电路组成，所述直流电压源的正极分别与第一开关管和第三开关管连接，所述直流电压源的负极分别与第二开关管和第四开关管连接，所述第一开关管与第二开关管连接，所述第三开关管与第四开关管连接，其中，第一开关管和第四开关管的驱动电流同相，第二开关管和第三开关管的驱动电流同相。
10.优选的，所述磁耦合谐振无线电能传输结构由原边补偿电容、原边线圈、原边固有电阻、副边补偿电容、副边线圈、副边固有电阻和负载组成，所述原边补偿电容、原边固有电阻、原边线圈串联后与非线性电力电子变换器的输出两端连接，所述副边补偿电容、副边线圈、副边固有电阻、负载串联，所述原边线圈、副边线圈相耦合并通过电路谐振传输能量；所述磁耦合谐振无线电能传输结构的原、副边线圈与原、副边补偿电容分别组成串联谐振电路，其满足其中，l1、l2为原、副边线圈的自感值，c1、c2为原、副边补偿电容的电容值，ω为系统角频率。
11.本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统的控制方法，包括以下步骤：
12.1)根据孤立波理论，设定系统运行于孤立波状态的条件为：
[0013][0014]
等号左边第一项为谐振频率的色散效应，α代指磁耦合谐振无线电能传输结构的各种参数，这是磁耦合谐振无线电能传输结构的固有效应；第二项为非线性效应，δn代指非线性电力电子变换器的非线性效应；
[0015]
2)对于磁耦合谐振无线电能传输结构，设非线性电力电子变换器的输出为u
in
，谐振电容c＝c1＝c2，线圈电感l＝l1＝l2，线圈间互感为m，负载为r
l
，回路电阻为r1、r2，即原、副边固有电阻；根据基尔霍夫电压定律和机械振动理论求得其谐振频率表达式为：
[0016][0017]
该表达式即为磁耦合谐振无线电能传输结构的谐振频率的色散效应,其中电路固有频率线圈耦合系数
[0018]
3)采样磁耦合谐振无线电能传输结构的原边回路电流，通过时间孤立波状态控制器实时控制非线性电力电子变换器，产生相应的δnω以平衡谐振频率的色散效应，即可使系统保持高功效运行的孤立波状态；其中，构造的孤立波解算器以能平衡磁耦合谐振无线电能传输结构谐振频率的色散规律为准。
[0019]
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
[0020]
1、在一定的传输范围内保持高功效运行的孤立波状态，克服了感应式无线电能传输技术传输距离不足的缺点，弥补了磁耦合谐振式无线电能传输技术传输距离固定的缺陷。
[0021]
2、无需副边通信设备参与，降低了成本和系统复杂程度，提高系统可靠性。
[0022]
3、与微波式的无线电能传输方式相比，本发明基于磁耦合无线电能传输原理，可达到更高的传输功率。
[0023]
4、本发明的结构是基于一般的磁耦合无线电能传输结构进行的改进，适用性强且构造简单。
[0024]
5、本发明的能量传输是基于谐振原理，能减少对传输线圈之间非谐振体(如人体)的磁干扰。
附图说明
[0025]
图1为本发明系统的结构示意图。
[0026]
图2为时间孤立波状态控制器示意图。
[0027]
图3为磁耦合谐振无线电能传输结构示意图。
[0028]
图4为本发明系统仿真电路图。
[0029]
图5为本发明系统仿真结果图。
[0030]
图6为本发明系统仿真结果的fft分析图。
[0031]
图7为未加时间孤立波状态控制器的系统仿真结果图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0033]
如图1和图2所示，本实施例提供了一种运行于时间孤立波状态的无线输电系统，包括非线性电力电子变换器、时间孤立波状态控制器和磁耦合谐振无线电能传输结构；所述非线性电力电子变换器由直流电压源e及由第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3和第四开关管s4构成的逆变电路组成，所述直流电压源e的正极分别与第一开关管s1和第三开关管s3连接，所述直流电压源e的负极分别与第二开关管s2和第四开关管s4连接，所述第一开关管s1与第二开关管s2连接，所述第三开关管s3与第四开关管s4连接；所述磁耦合谐振无线电能传输结构由原边补偿电容、原边线圈、原边固有电阻、副边补偿电容、副边线圈、副边固有电阻和负载组成，所述原边补偿电容、原边固有电阻、原边线圈串联后与非线性电力电子变换器的输出两端连接，所述副边补偿电容、副边线圈、副边固有电阻、负载串联，所述原边线圈、副边线圈相耦合并通过电路谐振传输能量；所述非线性电力电子变换器根据时间孤立波状态控制器的输入产生高频方波交流电，作为电源驱动磁耦合谐振无线电能传输结构运行；所述时间孤立波状态控制器由采样电路、孤立波解算器和驱动电路组成，所述采样电路分别与磁耦合谐振无线电能传输结构的原边和孤立波解算器连接，所述孤立波解算器与驱动电路连接，所述驱动电路与非线性电力电子变换器的逆变电路连接，用于驱动非线性电力电子变换器；所述孤立波状态控制器采样磁耦合无线电能传输结构的原边电流，根据谐振频率对结构各参数的色散规律，经过孤立波解算器求解后实时产生相应频率的驱动信号，使非线性电力电子变换器的非线性效应与谐振频率的色散规律平衡。
[0034]
优选的，在本实施例中所述孤立波解算器为比较器，所述采样电路采样磁耦合谐振无线电能传输结构的原边电流并输入比较器的“ ”输入端，
“‑”
输入端接地，比较器输出经驱动电路放大后驱动非线性电力电子变换器的逆变电路，其中，第一开关管s1和第四开
关管s4的驱动电流同相，第二开关管s2和第三开关管s3的驱动电流同相。
[0035]
所述磁耦合谐振无线电能传输结构的原、副边线圈与原、副边补偿电容分别组成串联谐振电路，其满足其中，l1、l2为原、副边线圈的自感值，c1、c2为原、副边补偿电容的电容值，ω为系统角频率。
[0036]
在非线性光学中，光在光纤中传输时存在色散效应使波形展宽，但如自相位调制之类的非线性效应能导致波形压缩，当非线性效应完全补偿光的色散效应时，光脉冲就能在时域里保持其波形不变，形成时间光孤子。一般用非线性薛定谔方程描述光孤子在光纤中的动力学行为，对于一维情况，归一化变换后的无量纲非线性薛定谔方程如下所示：
[0037][0038]
方程中q代表光振幅，t、x分别代指时间、空间参数，i为一量化系数，左边第二项为色散效应，第三项δn代指非线性效应，两种效应相平衡时有：
[0039][0040]
则有:
[0041][0042]
即光在传播中不随时间变化而变化，产生光孤子。
[0043]
类似的，在磁耦合谐振无线电能传输结构中，可以构造：
[0044][0045]
此处p为无线电能传输功率，α代指磁耦合谐振无线电能传输结构的各种参数。由于传输功率还与多个空间变量有关，为简化分析，我们以电路工作于谐振频率作为平衡目标。则电路运行于孤立波状态的条件为：
[0046][0047]
同样的，上式等号左边第一项为谐振频率的色散效应，这是磁耦合谐振无线电能传输结构的固有效应。第二项为非线性效应，通过孤立波解算器求解实时控制非线性电力电子变换器，产生相应的非线性效应以平衡谐振频率的色散效应，即可使电路运行于高功效的孤立波状态。为降低成本，孤立波解算器的输入可采样原边电流。
[0048]
首先，求解磁耦合谐振无线电能传输结构固有的色散效应。如图3所示，下标1、2分别表示磁耦合谐振无线电能传输结构的原边回路(即发射回路)和副边回路(即接收回路)。r1、r2表示回路电阻，即原、副边固有电阻，r
l
表示负载电阻，l1、l
1、2
表示线圈电感，c1、c2表示谐振电容，m表示两线圈间互感，u1、u2表示电容两端电压，u
in
表示磁耦合谐振无线电能传输结构的输入电压。采用电路模型对该系统进行建模。基于基尔霍夫电压电路，模型可表达为：
[0049][0050]
定义三个矩阵，分别为：
[0051][0052]
代入可得：
[0053][0054]
其中
[0055][0056]
上式为一两自由度振动系统的标准微分方程形式。一两自由度振动机械系统受迫振动时，其存在两个无阻尼自由振动频率，当驱动外力的频率与该频率相等时，受迫振动的振幅达到最大值。且该固有频率是振动系统的固有特性，并不随系统响应而变化。这在电路中可表现为当施加电压的频率与系统固有频率相同时，使得系统响应最大，此时系统达到谐振状态。
[0057]
根据振动理论，固有频率，也即谐振频率表达式为：
[0058][0059]
该表达式即为磁耦合谐振无线电能传输结构的谐振频率的色散效应,其中电路固有频率线圈耦合系数
[0060]
接下来需构造相应的时间孤立波状态控制器。注意到谐振频率表达式与原边电流的振荡频率类似，因此，采用以发射回路电流为基准的过零比较器作为孤立波解算器，产生的非线性效应对谐振频率的色散效应有一定的平衡效果。
[0061]
按下表1所示系统参数，在psim中对此模型进行仿真，如图4所示。模拟电容老化容量变小的情况，在实验中依次使谐振电容c1、c2由ca变为cb，再变为cc。仿真结果如图5所示，图6为结果对应的fft分析图，可以发现，在谐振电容参数改变时，发射回路电流振荡频率发生改变，经孤立波解算器产生的驱动电路频率也发生变化，产生非线性效应，使电路的工作频率随着谐振频率的色散规律发生改变，平衡了色散效应。对比图7所示未加时间孤立波状态控制器的系统在相同情况下的仿真结果可知，上述非线性效应对谐振频率的色散效应起到一定的平衡效果，使电路保持了高功效的运行。
[0062]
表1：仿真系统参数
[0063]vdc
/vl
1,2
/μhm/μfr
1,2
/ωr
l
/ωca/pfcb/pfcc/pf20605.65127790395197.5
[0064]
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。