用于多频多负载WPT系统的可变谐振网络及其控制方法

用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络及其控制方法。


背景技术：

2.无线电能传输(wireless power transfer,wpt)技术因其高效，灵活的特点，已在电动汽车、消费电子产品、家用电器等领域得到广泛应用。针对部分特殊应用场景，系统往往采用多频多负载工作模式。如中国专利202010342975.8所公开的一种基于多调制波复合spwm控制的多频多负载无线电能传输系统。
3.针对多频多负载的无线电能传输系统的研究，主要集中于如何使逆变器输出多频电能，对多频多负载无线电能传输系统的谐振网络的研究较少。目前，已经有研究者提出了具有多个谐振频率的多频谐振网络，以实现多频电能传输的同时，也能够使系统保持较高的效率。也有研究者提出了不使用谐振网络来传输多频电能，这样可以实现频率的灵活切换。但是这些研究仍然存在以下不足。
4.(1)在不使用谐振网络的情况下，系统会存在较大的无功功率。
5.(2)使用多频谐振网络的情况下，因谐振网络参数确定，使谐振网络的谐振频率固定，导致系统的传输频率固定，无法给其他频率的负载供电。当负载频率发生变化时，系统的效率会大大降低。


技术实现要素：

6.基于上述需求，本发明的首要目的在于提出一种用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络，当负载侧接收频率发生变化时，可以通过调整开关状态来改变谐振网络谐振频率使其满足不同负载状况的无线电能传输需求，同时使系统保持较高的功率和效率。
7.为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
8.一种用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络，其关键在于：包括发射线圈、n个开关电容组件和n-1个开关电感组件，n为大于1的正整数，其中：
9.每个开关电容组件由一个调谐电容和一个短路开关并联而成，每一个开关电感组件由一个调谐电感和一个断路开关串联而成，第一个开关电容组件与所述发射线圈串联，第i 1个开关电容组件与第i个开关电感组件串接后连接在第i个开关电容组件的两端，i＝1～n-1，通过改变各个短路开关和各个断路开关的状态来实现谐振频率调节。
10.可选地，所述短路开关和所述断路开关均采用mosft或igbt全控型开关器件。
11.可选地，所述短路开关和所述断路开关均连接在控制模块上，每一个短路开关对应设置有关断角，每一个断路开关对应设置有导通角，所述控制模块根据调整所述关断角的大小改变对应开关电容组件的电容值，所述控制模块根据调整所述导通角的大小改变对应开关电感组件的电感值。
12.可选地，当可变谐振网络需要在n个谐振频率工作时，设对应谐振频率为f1、f2……fn
，对应的周期分别为t1，t2……
tn，则所述控制模块按照f＝1/t的开关频率控制所述短路开关和所述断路开关，其中t为t1、t2……
tn的最小公倍数。
13.基于上述可变谐振网络的结构设计，本发明的另一目的在于提供一种如前文所述的用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络的控制方法，其关键在于：
14.针对单频应用场景，所有开关电感组件中的断路开关呈常开状态，发射线圈与第一开关电容组件构成第一串联谐振回路，通过控制第一开关电容组件中短路开关的关断角来实现谐振频率的变化；
15.针对多频应用场景，根据所需频率的数量，通过控制各个开关电感组件中断路开关的状态接入对应数量的谐振回路，并通过控制各个开关电容组件中短路开关的关断角和各个开关电感组件中断路开关的导通角实现所需谐振频率的变化。
16.可选地，n个开关电容组件中各个调谐电容的容值不同，n-1个开关电感组件中各个调谐电感的自感值不同。
17.可选地，n个开关电容组件中各个调谐电容的容值相同，n-1个开关电感组件中各个调谐电感的自感值相同，通过控制各个开关电容组件中短路开关的关断角来调整对应开关电容组件的等效电容值，通过控制各个开关电感组件中断路开关的导通角来调整对应开关电感组件的等效电感值。
18.可选地，设n个开关电容组件中各个调谐电容的容值为cm，若调整后对应开关电容组件的等效电容值c'm＝xcm，则该开关电容组件中短路开关的关断角αc满足
19.设n-1个开关电感组件中各个调谐电感的自感值为lm，若调整后对应开关电感组件的等效电感值l'm＝ylm，则该应开关电感组件中断路开关的导通角α
l
满足
20.本发明的效果是：
21.本发明提出的一种用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络及其控制方法，基于开关器件构成可变谐振网络，可以实现谐振网络的动态变换，从而满足任意频率、任意个数多个负载供电需求，同时能够通过谐振网络的变化改变谐振频率从而补偿系统的无功功率，使系统能够高效地运行。
附图说明
22.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。
23.图1为本发明具体实施例中可变谐振网络拓扑结构图；
24.图2为本发明具体实施例中应用可变谐振网络的多频多负载无线电能传输系统的电路原理图；
25.图3为双频工作状态，系统等效电路原理图；
26.图4为单频工作状态，系统等效电路原理图；
27.图5是开关器件与定值电容组成开关电容组件的电路原理图；
28.图6是开关器件与定值电感组成开关电感组件的电路原理图；
29.图7是c
sc
/ca随αc变化的变化关系图；
30.图8是l
sc
/la随α
l
变化的变化关系图。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
32.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
33.本实施例提供了一种用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络，如图1所示，包括发射线圈、n个开关电容组件和n-1个开关电感组件，n为大于1的正整数，其中：
34.每个开关电容组件由一个调谐电容和一个短路开关并联而成，每一个开关电感组件由一个调谐电感和一个断路开关串联而成，第一个开关电容组件与所述发射线圈串联，第i 1个开关电容组件与第i个开关电感组件串接后连接在第i个开关电容组件的两端，i＝1～n-1，通过改变各个短路开关和各个断路开关的状态来实现谐振频率调节，n的大小可以根据系统的应用场景中所需频率的个数来确定。
35.从图1中可以看出，l1为发射线圈，n个开关电容组件对应为n个调谐电容c1～cn和n个短路开关s
c1
～s
cn
构成，n-1个开关电感组件对应为n-1个调谐电感l2～ln和n-1个断路开关s
l2
～s
ln
构成，根据实际需求，通过控制各个开关器件的开断，可以实现开关电容值和开关电感值的改变，从而实现谐振网络频率的调节。
36.在本实施例中，将图1所示的可变谐振网络应用在多频多负载无线电能传输系统中，其电路如图2所示，从图2可以看出，系统包括直流电源1、高频逆变电路2、谐振网络3、副边接收回路4、多调制波的逆变器控制电路5、直流电源1、高频逆变电路2、可变谐振网络3、副边接收回路4依次级联。系统中多调制波的逆变器控制电路5和高频逆变电路2可以产生包含不同频率的电能，通过控制器可以改变输出的频率，设控制信号为：
37.ur＝u1 u2 ... un＝a1sin(2πf1t) a2sin(2πf2t) ...a
n sin(2πfnt)
38.图2展示的系统中谐振网络3采用图1所示的可变谐振网络，对应l1即为发射线圈，副边接收回路4中包含n个接收回路，其中l
s1
、c
s1
构成频率为f1的谐振网络
……
l
sn
、c
sn
构成频率为fn的谐振网络，其参数满足：
[0039][0040]
从图2可以看出，当s
l2
断开时，系统工作于单频模式下，逆变器输出单频电能。此时，可通过控制s
c1
来改变谐振网络的谐振频率，通过控制器改变逆变器输出的频率，从而实现单频模式下工作频率的切换。当s
l2
开通，s
l3
～s
ln
断开时，s
l2
与对应电感组成开关电感，系
统工作于双频模式下，逆变器输出双频电能。此时，可通过控制s
c1
、s
c2
、s
l2
来改变谐振网络的谐振频率，通过控制器改变逆变器输出的频率，从而实现双频模式下工作频率的切换。同理，当s
l2
～s
ln
均开通时，s
l2-s
ln
与对应电感组成开关电感，系统工作于n频模式下，逆变器输出含有n种频率的电能。此时，可通过控制s
c1
～s
cn
和s
l2
～s
ln
来改变谐振网络的谐振频率，通过控制器改变逆变器输出的频率，从而实现n频模式下工作频率的切换。图3示出了在双频工作状态，系统的等效电路原理图；图4示出了在单频工作状态，系统的等效电路原理图。
[0041]
具体实施时，所述短路开关和所述断路开关均采用mosft或igbt全控型开关器件，短路开关和断路开关均连接在控制模块上，每一个短路开关对应设置有关断角，每一个断路开关对应设置有导通角，控制模块根据调整关断角的大小改变对应开关电容组件的电容值，同时，控制模块根据调整所述导通角的大小改变对应开关电感组件的电感值。从图5和图6可以看出，每个开关均由两个反向串联的开关器件组成，且其开关频率均为f，在每个周期内开关器件s
c1
～s
cn
关断角为α
c1
～α
cn
，开关器件s
l2
～s
ln
导通角为α
l2
～α
ln
。
[0042]
以图5所示的开关电容组件为例，开关器件与定值电容组成了开关电容。设定值电容为ca，等效电容为c
sc
，开关器件关断角为αc。通过控制开关器件的关断角，可以实现等效电容值变换范围为(ca, ∞)，图7展示了c
sc
/ca随αc变化的变化关系图。
[0043]
以图6所示的开关电感组件为例，开关器件与定值电感组成了开关电感。设定值电容为la，等效电感为l
sc
，开关器件导通角为α
l
。通过控制开关器件的导通角，可以实现等效电感值变换范围为(la, ∞)，图8展示了l
sc
/la随α
l
变化的变化关系图。
[0044]
具体实施时，当可变谐振网络需要在n个谐振频率工作时，设对应谐振频率为f1、f2……fn
，对应的周期分别为t1，t2……
tn，则控制模块按照f＝1/t的开关频率控制所述短路开关和所述断路开关，其中t为t1、t2……
tn的最小公倍数。谐振网络的谐振频率由其中的电容和电感决定，先计算不加入开关器件时网络的谐振频率，然后可以根据公式在此基础上进行谐振频率的变换。s
c1
～s
cn
在频率f下，每个周期内的关断角为α
c1
～α
cn
，s
l2
～s
ln
在频率f下，每个周期内的导通角为α
l2
～α
ln
，不同的导通角对应不同的电感值。不同的关断角对应不同的电容值。
[0045]
本实施例还提及到一种用于多频多负载wpt系统的可变谐振网络的控制方法，具体而言，针对单频应用场景，所有开关电感组件中的断路开关呈常开状态，发射线圈与第一开关电容组件构成第一串联谐振回路，通过控制第一开关电容组件中短路开关的关断角来实现谐振频率的变化；
[0046]
针对多频应用场景，根据所需频率的数量，通过控制各个开关电感组件中断路开关的状态接入对应数量的谐振回路，并通过控制各个开关电容组件中短路开关的关断角和各个开关电感组件中断路开关的导通角实现所需谐振频率的变化。
[0047]
具体实施时，n个开关电容组件中各个调谐电容的容值不同，n-1个开关电感组件中各个调谐电感的自感值不同。根据配置不同参数的定值元件，各个谐振回路接入系统后自然可以满足不同频率的谐振需求，也可以如前文所提及那样，n个开关电容组件中各个调谐电容的容值相同，n-1个开关电感组件中各个调谐电感的自感值相同，通过控制各个开关电容组件中短路开关的关断角来调整对应开关电容组件的等效电容值，通过控制各个开关电感组件中断路开关的导通角来调整对应开关电感组件的等效电感值。
[0048]
在可变谐振网络谐振频率变化时，电路中对应的元件参数可以按照以下方式来确
定：
[0049]
单频情况下：电路中元件为c1、l1，设初始谐振频率为f1，变化后谐振频率为f1’
,令则变化后l'1＝l1。
[0050]
双频情况下：电路中元件为c1、l1、c2、l2，设初始谐振频率分别为f1、f2，变化后谐振频率为f1’
、f2’
，令则变化后有：
[0051][0052]
根据开关电容值和开关电感值的变化，关断角和导通角可以按以下方式确定：设n个开关电容组件中各个调谐电容的容值为cm，若调整后对应开关电容组件的等效电容值c'm＝xcm，则该开关电容组件中短路开关的关断角αc满足设n-1个开关电感组件中各个调谐电感的自感值为lm，若调整后对应开关电感组件的等效电感值l'm＝ylm，则该应开关电感组件中断路开关的导通角α
l
满足
[0053]
为了更好的理解本发明的技术效果，下面结合图2-图4所示的电路结构，通过配置相关的参数做以下仿真实验。
[0054]
首先，设n＝2。则电路等效为图3所示，在本实例中，设通过推导可得：
[0055][0056]
其中l1、c1、l2、c2为切换前，在f1、f2频率下谐振网络的参数。l1’
、c1’
、l2’
、c2’
为切换后，在f1’
、f2’
频率下谐振网络的参数。可以看出，在满足设定条件下，谐振网络的谐振频率变化时，仅需改变电容值即可。
[0057]
仿真过程按照以下3种实验路径设计：
[0058]
实验1：单频单负载情况下的频率切换(sl2断开)
[0059]
按图4所示的电路系统，参数选择如表1所示：
[0060]
表1：单频单负载情况下的频率切换参数配置表
[0061][0062]
其中发射线圈内阻r
p
为0.08ω，接收线圈内阻rs为0.08ω，直流电源为48v，系统输出功率线圈损耗
[0063]
实验2：单频双负载到双频双负载情况下的频率切换(s
l2
由断开变为开通)按图3所示的电路系统，参数选择如表2所示：
[0064]
表2：单频双负载到双频双负载情况下的频率切换参数配置表
[0065][0066]
其中发射线圈内阻r
p
为0.08ω，接收线圈内阻r
s1
为0.08ω，接收线圈内阻r
s2
为0.08ω，直流电源为48v。系统输出功率线圈损耗
[0067]
实验3：双频双负载情况下的频率切换(s
l2
开通)
[0068]
按图3所示的电路系统，参数选择如表3所示：
[0069]
表3 双频双负载情况下的频率切换参数配置表
[0070][0071]
其中发射线圈内阻r
p
为0.08ω，接收线圈内阻r
s1
为0.08ω，接收线圈内阻r
s2
为0.08ω，直流电源为48v。输出功率线圈损耗
[0072]
根据上述实验，分别将系统效率无功功率以及功率因数作为对比参数，其实验结果对比如表4所示：
[0073]
表4：仿真结果数据对比与分析表
[0074][0075]
可以看出，从单频到单频、从单频到双频、从双频到双频三种情况下，在切换前后效率基本不变，并且系统的效率比较高。同时，可变谐振网络能够动态地补偿系统的无功功率，使系统的功率因数比较高。
[0076]
综合以上仿真结果，可以说明，应用可变谐振网络的多频多负载无线电能传输系统可以实现灵活的频率切换，在频率切换前后均能保持较高的效率。同时，也能够灵活地补偿无功功率，使系统的功率因数比较高。
[0077]
最后需要说明的是，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，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。