一種基于可控電感的ipt系統原邊功率調節方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明提出了一種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法及系統，該功率調節方法包括如下步驟：組建電壓型IPT系統，其原邊諧振電感包括N匝線圈，第n匝線圈串聯有一個線圈控制開關Kn，控制器內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值；控制器求取等效負載阻抗并依據等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值的對應關系獲得原邊諧振電感的最優值，并控制線圈控制開關Kn的導通和切斷，實現原邊諧振電感的調節。本發明根據負載的大小調節接入電路中原邊電路的線圈匝數，調節原邊諧振電感的大小以及線圈實際工作的有效面積和磁通面積，在不同負載工作時，使IPT系統既能實現系統的效率最優，又能最大限度減小電磁輻射。
【專利說明】—種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及IPT (Inductively Power Transfer,感應電能傳輸)系統的功率調節技術，具體涉及一種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法及系統。
【背景技術】
[0002]IPT技術開創了電源接入新方式，越來越廣泛地受到學術界的關注，已成為電工領域的研究熱點。具有較強實用性的IPT系統通用供電平臺正是目前的重要應用方向之一。通用IPT系統供電平臺具有一路能量發射機構(原邊)和多路拾取機構(副邊)和用電設備，其中每一路拾取機構均安裝于相應的用電設備中，不同用電設備具有不同功率等級。當不同功率等級負載(用電設備)切換時，IPT系統的參數，例如副邊對原邊的反射阻抗、耦合系數等會發生變化，從而影響系統的傳輸效率，因此負載切換時需采取相應措施確保系統高效穩定運行。
[0003]在現有的IPT系統中，有一種方法是通過控制系統原邊電容陣列的大小而控制系統傳輸效率，如圖1所示，其工作原理為原邊諧振電路上連接有頻率檢測器，該頻率檢測器的輸入端連接在原邊諧振電容與激勵線圈之間，其輸出端輸出原邊諧振頻率值Π到控制器的第一輸入端，該控制器的第二輸入端輸入系統設定諧振頻率值f0，控制器的輸出控制端與并聯電容陣列相連，該并聯電容陣列并聯在原邊諧振電容上，控制器根據fi與f0控制并聯電容陣列的電容值。在這種調節方法中，當IPT系統的負載功率等級在大范圍內變化時，原邊的電容陣列必須由大量電容組成，每一電容都與控制開關相連，這大大增加了電路的體積。另外，IPT系統工作于高頻模式，電磁輻射是家用電器工作時必須考慮的重要問題，由于不同用電設備的體積大小不同，如果使得原邊發射線圈的大小固定不變，底座面積較小的負載工作時，原邊線圈將產生較大的電磁輻射，該電容電路調節方法并沒有考慮到系統對周圍環境的電磁輻射問題。

【發明內容】

[0004]為了克服上述現有技術中存在的缺陷，本發明的目的是提供一種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法及系統，能夠準確識別IPT系統的負載并根據負載大小調整原邊線圈實際工作的電感值以及有效面積，減少原邊能量的浪費，既能實現系統的效率最優，又能最大限度減小電磁輻射。
[0005]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法，包括如下步驟:
[0006]S1:組建電壓型IPT系統，所述電壓型IPT系統由原邊電路和副邊電路組成；
[0007]所述原邊電路設置有全橋逆變器，所述全橋逆變器的電源端連接直流電源，輸出端與原邊諧振電感Lp、原邊補償電容Cp相連組成一個串聯回路，所述原邊補償電容Cp包括并聯的第一電容Cl和第二電容C2，所述第二電容C2由電容選擇開關S控制實現接通和切斷，所述電容選擇開關S與控制器相連，由控制器控制電容選擇開關S的通斷；[0008]所述控制器內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值，所述原邊諧振電感最優值是在原邊補償電容Cp為第一電容Cl、原邊功率輸出效率滿足設計要求時，對應于所述等效負載阻抗的電感值；
[0009]所述原邊諧振電感Lp包括N匝線圈，所述第η匝線圈串聯有一個線圈控制開關Κη，所述線圈控制開關Kn與所述控制器相連，由控制器控制實現通斷，其中，所述N為正整數，所述n=1、2、…、Ν-1、Ν;
[0010]所述原邊電路還設置有電流檢測裝置，所述電流檢測裝置與所述原邊諧振電感Lp串聯，所述電流檢測裝置還與所述控制器相連，所述電流檢測裝置用于檢測所述原邊諧振電感Lp內的電流并將所述電流傳輸給所述控制器；
[0011]所述副邊電路包括至少一個副邊子電路，所述第m個副邊子電路由副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs、負載阻抗Zta組成，所述副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs和負載阻抗zlm三者依次相連組成一個串聯回路，在同一時刻，只有一個副邊子電路工作，所述m為正整數；
[0012]S2:控制器切斷電容選擇開關S，使第一電容Cl接入原邊電路，直流電源對原邊電路進行直流供電，使所述原邊電路進入諧振狀態；
[0013]S3:電流檢測裝置檢測原邊電路的電流并將所述電流傳輸給所述控制器，所述控制器獲取所述原邊電路電流的第一有效值與第一工作頻率；
[0014]S4:控制器閉合電容選擇開關S，使第一電容Cl和第二電容C2并聯后接入原邊電路，直流電源對原邊電路進行直流供電，控制器調節逆變器的工作頻率使原邊電路進入諧振狀態；
[0015]S5:電流檢測裝置檢測原邊電路的電流并將所述電流傳輸給所述控制器，所述控制器獲取所述原邊電路電流的第二有效值與第二工作頻率；
[0016]S6:控制器根據所述原邊電路電流的第一有效值、第二有效值以及對應工作頻率建立阻抗方程，求取等效負載阻抗\ ;
[0017]S7:控制器切斷電容選擇開關S，使第一電容Cl接入原邊電路，所述控制器根據等效負載阻抗\的值，依據等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值的對應關系獲得原邊諧振電感的最優值，并控制線圈控制開關Kn的導通和切斷，實現原邊諧振電感的調節。
[0018]本發明通過改變原邊補償電容的大小，使原邊工作在兩種不同的諧振頻率下，通過建立反射阻抗方程，實現負載準確識別，同時，根據負載的大小調節接入電路中原邊電路的線圈匝數，調節原邊諧振電感的大小以及線圈實際工作的有效面積和磁通面積，在不同負載工作時，使IPT系統既能實現系統的效率最優，又能最大限度減小電磁輻射。
[0019]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第二個方面，本發明提供了一種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節系統，包括電壓型IPT系統和控制器；所述電壓型IPT系統由原邊電路和副邊電路組成；所述原邊電路設置有全橋逆變器，所述全橋逆變器的電源端連接直流電源，輸出端與原邊諧振電感Lp、原邊補償電容Cp相連組成一個串聯回路，所述原邊補償電容Cp包括并聯的第一電容Cl和第二電容C2，所述第二電容C2由電容選擇開關S控制實現接通和切斷，所述電容選擇開關S與控制器相連，由控制器控制電容選擇開關S的通斷；所述控制器內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值；所述原邊諧振電感Lp包括N匝線圈，所述第η匝線圈串聯有一個線圈控制開關Κη，所述線圈控制開關Kn與所述控制器相連，由控制器控制實現通斷，其中，所述N為正整數，所述n=l、
2、-,N-UN ;所述原邊電路還設置有電流檢測裝置，所述電流檢測裝置與所述原邊諧振電感Lp串聯，所述電流檢測裝置還與所述控制器相連，所述電流檢測裝置用于檢測所述原邊諧振電感Lp內的電流并將所述電流傳輸給所述控制器；所述副邊電路包括至少一個副邊子電路，所述每一個副邊子電路由副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs、負載阻抗Zta組成，所述副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs和負載阻抗Zta三者依次相連組成一個串聯回路，在同一時刻，只有一個副邊子電路工作；所述電流檢測裝置包括諧振電流頻率檢測單元、諧振電流有效值采樣單元和諧振電流過零采樣單元，所述諧振電流頻率檢測單元用于檢測原邊電流的諧振頻率，所述諧振電流有效值采樣單元和諧振電流過零采樣單元分別對原邊電路的電流波形進行有效值采樣和電流過零采樣；所述控制器的輸入端與所述電流檢測裝置的輸出端相連，所述控制器包括頻率調節單元、負載識別單元和電感控制單元，所述諧振電流過零采樣單元的輸出端與所述頻率調節單元的輸入端相連，所述頻率調節單元的輸出端與全橋逆變器相連，所述頻率調節單元根據所述諧振電流過零采樣單元采集的電流過零信號調節全橋逆變器輸出的電壓頻率使原邊電路進入諧振狀態，所述負載識別單元分別與所述諧振電流頻率檢測單元和諧振電流有效值采樣單元相連，用于建立阻抗方程，對負載進行識別；所述電感控制單元與所述負載識別單元相連，所述電感控制單元還分別與線圈控制開關Kn相連，所述電感控制單元內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值，所述電感控制單元根據等效負載阻抗\的值，依據所述等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值的對應關系獲得原邊諧振電感的最優值，并控制線圈控制開關Kn的導通和切斷，實現原邊諧振電感的最優值調節。
[0020]本發明的基于可控電感的IPT系統原邊功率調節系統能夠實現負載的準確檢測，并根據負載的值通過線圈控制開關Kn控制接入電路中原邊電路的線 圈匝數，調節原邊諧振電感的大小以及線圈實際工作的有效面積和磁通面積，在不同負載工作時，使IPT系統既能實現系統的效率最優，又能最大限度減小電磁輻射。
[0021]在本發明的一種優選實施方式中，所述根據第一有效值、第二有效值以及對應工作頻率建立的阻抗方程為:
[0022]
【權利要求】
1.一種基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法，其特征在于:包括如下步驟: 51:組建電壓型IPT系統，所述電壓型IPT系統由原邊電路和副邊電路組成； 所述原邊電路設置有全橋逆變器，所述全橋逆變器的電源端連接直流電源，輸出端與原邊諧振電感Lp、原邊補償電容Cp相連組成一個串聯回路，所述原邊補償電容Cp包括并聯的第一電容Cl和第二電容C2，所述第二電容C2由電容選擇開關S控制實現接通和切斷，所述電容選擇開關S與控制器相連，由控制器控制電容選擇開關S的通斷； 所述控制器內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值，所述原邊諧振電感最優值是在原邊補償電容Cp為第一電容Cl、原邊功率輸出效率滿足設計要求時，對應于所述等效負載阻抗的電感值； 所述原邊諧振電感Lp包括N匝線圈，所述第η匝線圈串聯有一個線圈控制開關Κη，所述線圈控制開關Kn與所述控制器相連，由控制器控制實現通斷，其中，所述N為正整數，所述 η=1、2、...、Ν-1、Ν; 所述原邊電路還設置有電流檢測裝置，所述電流檢測裝置與所述原邊諧振電感Lp串聯，所述電流檢測裝置還與所述控制器相連，所述電流檢測裝置用于檢測所述原邊諧振電感Lp內的電流并將所述電流傳輸給所述控制器； 所述副邊電路包括至少一個副邊子電路，所述每一個副邊子電路由副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs、負載阻抗Zta組成，所·述副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs和負載阻抗Zta三者依次相連組成一個串聯回路，在同一時刻，只有一個副邊子電路工作，所述m為正整數； 52:控制器切斷電容選擇開關S，使第一電容Cl接入原邊電路，直流電源對原邊電路進行直流供電，使所述原邊電路進入諧振狀態； 53:電流檢測裝置檢測原邊電路的電流并將所述電流傳輸給所述控制器，所述控制器獲取所述原邊電路電流的第一有效值與第一工作頻率； 54:控制器閉合電容選擇開關S,使第一電容Cl和第二電容C2并聯后接入原邊電路，直流電源對原邊電路進行直流供電，控制器調節逆變器的工作頻率使原邊電路進入諧振狀態； 55:電流檢測裝置檢測原邊電路的電流并將所述電流傳輸給所述控制器，所述控制器獲取所述原邊電路電流的第二有效值與第二工作頻率； 56:控制器根據所述原邊電路電流的第一有效值、第二有效值以及對應工作頻率建立阻抗方程，求取等效負載阻抗\ ； 57:控制器切斷電容選擇開關S，使第一電容Cl接入原邊電路，所述控制器根據等效負載阻抗\的值，依據等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值的對應關系獲得原邊諧振電感的最優值，并控制線圈控制開關Kn的導通和切斷，實現原邊諧振電感的調節。
2.如權利要求1所述的基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法，其特征在于:所述電流檢測裝置的輸入端與原邊電路相連，所述電流檢測裝置包括諧振電流頻率檢測單元、諧振電流有效值采樣單元和諧振電流過零采樣單元，所述諧振電流頻率檢測單元用于檢測原邊電流的諧振頻率，所述諧振電流有效值采樣單元和諧振電流過零采樣單元分別對原邊電路的電流波形進行有效值采樣和電流過零采樣； 所述控制器的輸入端與所述電流檢測裝置的輸出端相連，所述控制器包括頻率調節單元、負載識別單元和電感控制單元，所述諧振電流過零采樣單元的輸出端與所述頻率調節單元的輸入端相連，所述頻率調節單元的輸出端與全橋逆變器相連，所述頻率調節單元根據所述諧振電流過零采樣單元采集的電流過零信號調節全橋逆變器輸出的電壓頻率使原邊電路進入諧振狀態，所述負載識別單元分別與所述諧振電流頻率檢測單元和諧振電流有效值采樣單元相連，用于建立阻抗方程，對負載進行識別；所述電感控制單元與所述負載識別單元相連，所述電感控制單元還分別與線圈控制開關Kn相連，所述電感控制單元內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值，所述電感控制單元根據等效負載阻抗Zl的值，依據所述等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值的對應關系獲得原邊諧振電感的最優值，并控制線圈控制開關Kn的導通和切斷，實現原邊諧振電感的最優值調節。
3.如權利要求1所述的基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法，其特征在于:所述根據第一有效值、第二有效值以及對應工作頻率建立的阻抗方程為:
4.一種利用權利要求1所述的基于可控電感的IPT系統原邊功率調節方法進行功率調節的系統，其特征在于:包括電壓型IPT系統和控制器； 所述電壓型IPT系統由原邊電路和副邊電路組成； 所述原邊電路設置有全橋逆變器，所述全橋逆變器的電源端連接直流電源，輸出端與原邊諧振電感Lp、原邊補償電容Cp相連組成一個串聯回路，所述原邊補償電容Cp包括并聯的第一電容Cl和第二電容C2，所述第二電容C2由電容選擇開關S控制實現接通和切斷，所述電容選擇開關S與控制器相連，由控制器控制電容選擇開關S的通斷； 所述控制器內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值； 所述原邊諧振電感Lp包括N匝線圈，所述第η匝線圈串聯有一個線圈控制開關Κη，所述線圈控制開關Kn與所述控制器相連，由控制器控制實現通斷，其中，所述N為正整數，所述 n=l、2、-,N-UN ； 所述原邊電路還設置有電流檢測裝置，所述電流檢測裝置與所述原邊諧振電感Lp串聯，所述電流檢測裝置還與所述控制器相連，所述電流檢測裝置用于檢測所述原邊諧振電感Lp內的電流并將所述電流傳輸給所述控制器； 所述副邊電路包括至少一個副邊子電路，所述每一個副邊子電路由副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs、負載阻抗Zldi組成，所述副邊諧振電感Ls、副邊補償電容Cs和負載阻抗Zta三者依次相連組成一個串聯回路，在同一時刻，只有一個副邊子電路工作，所述m為正整數； 所述電流檢測裝置包括諧振電流頻率檢測單元、諧振電流有效值采樣單元和諧振電流過零采樣單元，所述諧振電流頻率檢測單元用于檢測原邊電流的諧振頻率，所述諧振電流有效值采樣單元和諧振電流過零采樣單元分別對原邊電路的電流波形進行有效值采樣和電流過零采樣； 所述控制器的輸入端與所述電流檢測裝置的輸出端相連，所述控制器包括頻率調節單元、負載識別單元和電感控制單元，所述諧振電流過零采樣單元的輸出端與所述頻率調節單元的輸入端相連，所述頻率調節單元的輸出端與全橋逆變器相連，所述頻率調節單元根據所述諧振電流過零采樣單元采集的電流過零信號調節全橋逆變器輸出的電壓頻率使原邊電路進入諧振狀態，所述負載識別單元分別與所述諧振電流頻率檢測單元和諧振電流有效值采樣單元相連，用于建立阻抗方程，對負載進行識別；所述電感控制單元與所述負載識別單元相連，所述電感控制單元還分別與線圈控制開關Kn相連，所述電感控制單元內預設有一一對應的等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值，所述電感控制單元根據等效負載阻抗Zl的值，依據所述等效負載阻抗與原邊諧振電感最優值的對應關系獲得原邊諧振電感的最優值，并控制線圈控制開關Kn的導通和切斷，實現原邊諧振電感的最優值調節。
5.如權利要求4所述的電壓型無線供電系統負載識別系統，其特征在于:所述原邊電路上還安裝有電流互感器，所述電流互感器用于獲取原邊電路諧振狀態的電流波形，所述電流互感器的輸出端與所述諧振電流頻率檢測單元、所述諧振電流有效值值采樣單元和諧振電流過零采樣單元的輸入端相.連。
【文檔編號】H02M7/48GK103441581SQ201310361442
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】周柯, 唐春森, 李珊, 高立克, 祝文姬, 吳智丁, 吳麗芳, 吳劍豪, 俞小勇, 李克文, 蘇玉剛, 戴欣, 孫躍, 葉兆虹, 王智慧 申請人:廣西電網公司電力科學研究院, 重慶大學