一种基于功率匹配的多中继线圈IPT系统的制作方法

一种基于功率匹配的多中继线圈ipt系统
技术领域
1.本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于功率匹配的多中继线圈ipt系统。


背景技术：

2.无线电能传输(wireless power transfer，wpt)是一种不需要直接接触便可将能量由电源侧传递到负载侧的新兴技术，它避免了传统插头式系统中接触火花和漏电等安全问题，使人类应用电能的方式更加灵活。其中，感应式电能传输技术(inductive power transfer，ipt)因其安全、可靠等优点，已被广泛应用于植入式医疗设备，电动汽车以及手机等移动设备的无线充电领域。
3.传统ipt系统通常包括能量发射端结构单元和能量接收端结构单元两部分。能量发射端结构单元包括高频逆变器、发射端谐振补偿网络和发射线圈三部分。其中，高频逆变器的功能是将直流电变为高频交流电，之后经过谐振补偿网络，在发射线圈中产生高频交流磁场耦合到接收端单元；能量接收端结构单元包括接收线圈、接收端谐振补偿网络和无源整流器三部分。其中，接收线圈感应到发射线圈产生的高频磁场后，经过接收端谐振补偿网络，向无源整流器输出高频交流电，无源整流器则将交流电变为直流电，向负荷提供所需电能，进而实现能量从电源侧到负载侧的无线传输。
4.采用中继线圈的ipt系统在高压、远距离电能传输领域具有显著优势，可用于输电线路在线监测设备的无线供电。通常采取将传能线圈嵌入到复合绝缘子形成一体化传能结构，当线圈封装进绝缘子后，其互感、自感等参数无法改变。而在不同线路或者杆塔上，所配置的在线监测设备种类和数量不同，所需要的供电功率也不同，目前的无线电能传输系统还不能自适应改变输出功率。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于功率匹配的多中继线圈ipt系统，可以需要根据负载情况来调整出所需的多中继ipt系统输入电压，从而匹配负载需要的功率。具体技术方案如下：
6.一种基于功率匹配的多中继线圈ipt系统，包括发射侧结构单元、中继侧结构单元和接收侧结构单元和控制器、电压传感器、电流传感器；所述发射侧结构单元包括直流输入电源、全桥逆变器、发射谐振补偿电容c1及发射线圈l1；所述直流输入电源的电压为v
dc
，与全桥逆变器连接；所述全桥逆变器包含s1、s2、s3和s4四个mosfets，其相应的门极触发信号v
gs1-v
gs4
，其等效电阻为r
inv
，其输出电压即系统输入电压为v
in
，所述发射线圈l1与前端全桥逆变器相连接，并与发射串联谐振补偿电容c1串联后构成发射回路；所述发射回路的寄生内阻为r1；
7.所述中继侧结构单元包括依次连接的n-2个中继回路，具体包括n-2个中继线圈，分别为中继线圈l2、中继线圈l3、
……
、中继线圈l
(n-1)
，所述中继线圈l2与发射线圈l1磁耦
合，其互感为m
12
；中继线圈l2、中继线圈l3、
……
、直至末端中继线圈l
(n-1)
相互之间磁耦合，其互感分别为m
23
、m
34
、
……
、m
(n-2)(n-1)
，各个回路分别连接各自的谐振补偿电容c2、c3、
……
、直至末端的中继线圈l
(n-1)
连接对应的谐振补偿电容c
(n-1)
；n-2个中继回路的寄生内阻分别记为r2、r3、
……
、r
n-1
；
8.所述接收侧结构单元包括接收线圈ln、接收谐振补偿电容cn、无源整流器、直流支撑电容cd以及负载电阻r
ld
；所述接收线圈ln与中继侧结构单元末端的中继线圈l
(n-1)
磁耦合，其互感为m
(n-1)n
,接收线圈ln与接收串联谐振补偿电容cn串联后构成接收回路；所述接收回路与无源整流器相连接；所述无源整流器由二极管d
1-d4组成，所述无源整流器的输入电压即系统输出电压为vo；所述无源整流器与直流支撑电容cd并联，所述直流支撑电容cd与负载电阻r
ld
并联；所述接收回路的寄生内阻为rn；流经各线圈的电流为ii，i＝1，2，
···
，n；直流输出电压和电流分别为v
dc_out
和i
dc_out
；
9.所述电压传感器和电流传感器分别用于采集直流输出电压v
dc_out
直流输出电流i
dc_out
；
10.所述控制器分别与直流输入电源、全桥逆变器和电压传感器、电流传感器连接，用于根据电压传感器、电流传感器采集的数据调整直流输入电源的输出电压v
dc
以及输出全桥逆变器的门极触发信号v
gs1-v
gs4
，使得系统输出的功率与负载电阻r
ld
所需的功率匹配。
11.优选地，还包括触摸屏，所述触摸屏与控制器连接，用于输入负载电阻r
ld
所需的功率至控制器。
12.优选地，所述直流输入电源包括直流电源以及dc-dc变换电路；所述dc-dc变换电路分别与直流电源、控制器连接；所述控制器通过调整dc-dc变换电路的占空比调整直流输入电源的输出电压v
dc
。
13.优选地，所述控制器采用以下方法调整dc-dc变换电路的占空比：
14.(1)控制器根据初次给负载电阻r
ld
供电时电压传感器和电流传感器采集的直流输出电压v
dc_out
直流输出电流i
dc_out
以及欧姆定律计算负载电阻r
ld
的值；
15.(2)根据负载电阻r
ld
的值计算无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
；
16.(3)控制器根据负载电阻r
ld
所需的功率以及计算得到的无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
计算得到所需的系统输入电压为v
in_xu
；
17.(4)根据计算得到的系统输入电压为v
in_xu
计算所需的直流输入电源的输出电压v
dc_xu
；
18.(5)控制器调整dc-dc变换电路的占空比使得系统输入电压为v
dc
等于计算得到所需的系统输入电压为v
dc_xu
。
19.优选地，所述步骤(1)中负载电阻r
ld
的值采用以下方式计算：
[0020][0021]
优选地，所述步骤(2)中无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
采用以下方式计算：
[0022][0023]
优选地，所述步骤(3)包括以下步骤：
[0024]
步骤(31)，依据基尔霍夫电压定律，列写系统的n个线圈回路方程，并确定各个回
路的电流，具体如下：
[0025][0026]
流经各线圈的电流可以表示为全桥逆变器的等效电阻、寄生内阻、工作频率、线圈互感、系统输入电压和无源整流器交流输入侧等效负载的关系式，即:
[0027][0028]
其中全桥逆变器的等效电阻、寄生内阻、工作频率、线圈互感与全桥逆变器和中继侧结构单元相关，为输入预存在控制器中的参数；
[0029]
步骤(32)，根据系统的功率传输模型以及负载电阻r
ld
所需的功率p
xu
计算所需的系统输入电压为v
in_xu
，其中系统的功率传输模型如下：
[0030][0031]
其中，使得p
out
＝p
xu
，代入计算得到in，进而得到所需的系统输入电压v
in_xu
。
[0032]
优选地，所述步骤(4)中所需的直流输入电源的输出电压v
dc_xu
与计算得到的系统输入电压为v
in_xu
的关系式如下：
[0033][0034]
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于功率匹配的多中继线圈ipt系统，控制器根据负载的电阻大小以及所需的功率调整全桥逆变器的控制信号自适应性提供负载所需的功率，适用性广，适用于不同的监测设备负载。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0036]
图1为本发明的系统原理示意图。
具体实施方式
[0037]
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、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
[0038]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0039]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0040]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0041]
如图1所示，本发明的具体实施方式提供了一种基于功率匹配的多中继线圈ipt系统，包括发射侧结构单元、中继侧结构单元和接收侧结构单元和控制器、电压传感器、电流传感器；所述发射侧结构单元包括直流输入电源、全桥逆变器、发射谐振补偿电容c1及发射线圈l1；所述直流输入电源的电压为v
dc
，与全桥逆变器连接；所述全桥逆变器包含s1、s2、s3和s4四个mosfets，其相应的门极触发信号v
gs1-v
gs4
，其等效电阻为r
inv
，其输出电压即系统输入电压为v
in
，所述发射线圈l1与前端全桥逆变器相连接，并与发射串联谐振补偿电容c1串联后构成发射回路；所述发射回路的寄生内阻为r1；
[0042]
所述中继侧结构单元包括依次连接的n-2个中继回路，具体包括n-2个中继线圈，分别为中继线圈l2、中继线圈l3、
……
、中继线圈l
(n-1)
，所述中继线圈l2与发射线圈l1磁耦合，其互感为m
12
；中继线圈l2、中继线圈l3、
……
、直至末端中继线圈l
(n-1)
相互之间磁耦合，其互感分别为m
23
、m
34
、
……
、m
(n-2)(n-1)
，各个回路分别连接各自的谐振补偿电容c2、c3、
……
、直至末端的中继线圈l
(n-1)
连接对应的谐振补偿电容c
(n-1)
；n-2个中继回路的寄生内阻分别记为r2、r3、
……
、r
n-1
；
[0043]
所述接收侧结构单元包括接收线圈ln、接收谐振补偿电容cn、无源整流器、直流支撑电容cd以及负载电阻r
ld
；所述接收线圈ln与中继侧结构单元末端的中继线圈l
(n-1)
磁耦合，其互感为m
(n-1)n
,接收线圈ln与接收串联谐振补偿电容cn串联后构成接收回路；所述接收回路与无源整流器相连接；所述无源整流器由二极管d
1-d4组成，所述无源整流器的输入电压即系统输出电压为vo；所述无源整流器与直流支撑电容cd并联，所述直流支撑电容cd与负载电阻r
ld
并联；所述接收回路的寄生内阻为rn；流经各线圈的电流为ii，i＝1，2，
···
，n；直流输出电压和电流分别为v
dc_out
和i
dc_out
；
[0044]
所述电压传感器和电流传感器分别用于采集直流输出电压v
dc_out
直流输出电流i
dc_out
；
[0045]
所述控制器分别与直流输入电源、全桥逆变器和电压传感器、电流传感器连接，用于根据电压传感器、电流传感器采集的数据调整直流输入电源的输出电压v
dc
以及输出全桥逆变器的门极触发信号v
gs1-v
gs4
，使得系统输出的功率与负载电阻r
ld
所需的功率匹配。
[0046]
本发明的系统还包括触摸屏，所述触摸屏与控制器连接，用于输入负载电阻r
ld
所需的功率至控制器。所述直流输入电源包括直流电源以及dc-dc变换电路；所述dc-dc变换电路分别与直流电源、控制器连接；所述控制器通过调整dc-dc变换电路的占空比调整直流输入电源的输出电压v
dc
。所述控制器采用以下方法调整dc-dc变换电路的占空比：
[0047]
(1)控制器根据初次给负载电阻r
ld
供电时电压传感器和电流传感器采集的直流输出电压v
dc_out
直流输出电流i
dc_out
以及欧姆定律计算负载电阻r
ld
的值；负载电阻r
ld
的值采
用以下方式计算：
[0048][0049]
(2)根据负载电阻r
ld
的值计算无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
；无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
采用以下方式计算：
[0050][0051]
(3)控制器根据负载电阻r
ld
所需的功率以及计算得到的无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
计算得到所需的系统输入电压为v
in_xu
；具体包括以下步骤：
[0052]
步骤(31)，基于ss拓扑简化等效电路模型，依据基尔霍夫电压定律，列写系统的n个线圈回路方程，并确定各个回路的电流，具体如下：
[0053][0054]
若此处只考虑相邻和相间一个线圈间的互感，则上述回路方程可简化为：
[0055][0056]
依据相应的数学原理，各回路电流可表示为：
[0057][0058]
流经各线圈的电流可以表示为全桥逆变器的等效电阻、寄生内阻、工作频率、线圈互感、系统输入电压和无源整流器交流输入侧等效负载的关系式，即:
[0059][0060]
其中全桥逆变器的等效电阻、寄生内阻、工作频率、线圈互感与全桥逆变器和中继侧结构单元相关，为输入预存在控制器中的参数；
[0061]
步骤(32)，根据系统的功率传输模型以及负载电阻r
ld
所需的功率p
xu
计算所需的系统输入电压为v
in_xu
，其中系统的功率传输模型如下：
[0062][0063]
其中，使得p
out
＝p
xu
，代入计算得到in，进而得到所需的系统输入电压v
in_xu
。或者根据系统的功率传输模型可得，p
out
＝f(r
inv
,ri,f,m
ij
,v
in
,r
leq
)；i,j＝1,2,...,n，且i≠j，一旦系统的结构和工作频率确定，各线圈电流大小仅与后两者有关；系统功率也与上述因素相关。上式可简化为：p
out
＝f(v
in
,r
leq
)。已知无源整流器交流输入侧等效负载r
leq
，则可求出所需的系统输入电压v
in_xu
。
[0064]
(4)所需的直流输入电源的输出电压v
dc_xu
与计算得到的系统输入电压为v
in_xu
的关系式如下：
[0065][0066]
根据计算得到的系统输入电压为v
in_xu
计算所需的直流输入电源的输出电压v
dc_xu
。
[0067]
(4)控制器调整dc-dc变换电路的占空比使得系统输入电压为v
dc
等于计算得到所需的系统输入电压为v
dc_xu
。
[0068]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0069]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0070]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。