[发明专利]一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法

说明书

本发明提供一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法，该方法在直流电源与逆变电路之间添加Buck电路，将系统发射线圈与接收线圈的定值调谐电容替换为可调电容与定值电容阵列的组合。在动态无线电能传输系统中，当发射线圈与接收线圈之间发生相对错位导致互感发生变化时，系统的传输功率和效率都会降低，通过调节Buck电路的输出电压使无线电能传输系统的输出功率恒定不变，再通过测量电压电流相位关系后，计算并调节谐振网络和逆变电源开关频率的最优组合使得当前系统保持最优效率，从而克服在动态工况下无线电能传输系统因发射线圈与接收线圈相对错位而导致的功率波动与效率降低的问题。

技术领域

本发明属于无线电能传输领域，特别是涉及到了一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法。

背景技术

无线电能传输技术是一种新型的电能传输技术，是一个极具潜力的技术领域，有着十分重要的应用和价值，在一些特殊场合下具有广泛应用，如钻井、工矿、水下探测等。感应耦合式无线电能传输能在较短距离下传输较大的功率同时保持较高的效率，有着较好的发展和应用前景，其系统主要由电源、发射线圈和接收线圈组成。

影响无线电能传输系统应用的核心问题是发射线圈与接收线圈之间的能量传输功率和效率问题。在理想情况下，无线电能传输系统发射线圈与接收线圈通过与谐振网络相连接处于同一谐振频率下，此时系统的传输功率和传输效率均可达到最优值。然而在动态工况下，发射线圈与接收线圈可能会发生相对错位，从而导致线圈间互感变换，影响线圈与系统的谐振情况，导致系统功率和效率降低。为了提高系统的传输功率和效率，之前的方案会通过调节逆变电源的输出频率来使发射线圈和接受线圈再次处于系统整体谐振状态，但由于发射线圈和接收线圈很难保持自谐振，所以输出的功率和效率不是系统可以达到的最优值。

发明内容

为解决动态工况下，因发射线圈与接收线圈发生相对错位而导致互感变化，系统传输功率和效率降低的技术问题，本发明提出一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法，使系统可以维持额定功率运行，并在动态工况下保持最大效率。

为了实现以上目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种动态无线电能传输系统保持恒功率与最大效率的方法，其特征在于，所述无线电能传输系统从交流电源端Us起分别有整流模块1、滤波模块、控制器1、Buck降压电路模块、交流逆变器、发射线圈与谐振网络1、接收线圈与谐振网络2、控制器2、接收线圈整流模块2、滤波模块和负载电阻；其中控制器1用于测量发射线圈电压电流的幅值和相位、驱动Buck电路与交流逆变器，控制器2用于测量接收线圈电压电流的幅值和相位并通过通信传送给控制器1，谐振网络1、2均由定值电容阵列与可调电容组成；所述恒功率与最大效率的方法包括步骤：

(1)在静态工况下，调整谐振网络与交流逆变器输出频率使得发射线圈与接收线圈的输出电压幅值相等，相位差为90°，此时无线电能传输系统的传输效率达到最大值，调整控制器控制Buck降压电路模块的输出电压，使得负载接收到额定功率；

(2)当系统处于动态工况下，发射线圈与接收线圈发生相对错位，发射线圈与接收线圈之间的互感发生改变，导致无线电能传输系统的传输功率和传输效率降低时，首先调节控制器1控制Buck降压电路模块提升输出电压，保证功率稳定，系统正常运行；

(3)在步骤(2)进行的同时，测量发射线圈与接收线圈输出电压之间的相位差，计算出系统最大效率工作点所需要的谐振网络容值与谐振频率。调节谐振网络的定值电容阵列使其尽量靠近所需要的调谐电容容值后通过调节可调电容使谐振网络达到所需要的容值；

(4)在步骤(3)进行的同时，实时计算在当前谐振网络容值下，能使系统传输效率尽可能高的频率点，并通过调节控制器1控制交流逆变器工作在此频率；

(5)在步骤(4)进行的同时，测量系统传输功率，同步调节控制器控制Buck降压电路模块输出电压，保证输出功率额定，系统正常运行。