本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)，尤其適用于無線充電領域中使用的負載在線識別的無線電能傳輸系統(tǒng)及負載識別方法。

背景技術：

傳統(tǒng)的電能傳輸方式即通過電纜等連接裝置將電能從電網(wǎng)傳送到用電設備。傳統(tǒng)的電能傳輸需要供電設備和用電設備之間有直接的物理連接，而這種連接會因為經(jīng)常性的受到摩擦和裸露在外而產(chǎn)生電火花或破損，這不僅大大縮短電氣設備的使用壽命，并且嚴重威脅到供電的安全性，尤其在煤礦，水下等電氣環(huán)境惡劣的場合，甚至會造成重大的安全事故。因而，在這種市場需求下，無線電能傳輸技術應運而生。無線電能傳輸技術，顧名思義，供電設備與用電設備之間不再需要電纜等電連接器相連接，很大程度上解決了傳統(tǒng)電能傳輸技術的不足。目前研究最多的是基于電磁感應耦合原理的感應耦合電能傳輸(ICPT)技術。隨著研究的深入，研究學者們逐漸關注到了感應耦合系統(tǒng)的負載適應性。但是，由于目前在無線電能傳輸領域中對功率、效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及系統(tǒng)建模等方面的研究都是基于負載已知的基礎上，然而并非所有系統(tǒng)的負載均為已知，而且無線電能傳輸系統(tǒng)的負載存在可變和未知特性，負載的變化會使系統(tǒng)的工作頻率發(fā)生漂移，偏離系統(tǒng)的諧振頻率范圍，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，從而給ICPT系統(tǒng)的研究造成了一定的困難。

為解決這個難題，目前采用的方法多為根據(jù)能量守恒定律，由原副邊的能量公式得到負載大小，但是由于能量的不可見性，而且此法忽略的因素較多，所以由此法算得的負載值并不十分精確。例如，文獻《感應電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)辨識與恒流控制》通過測得系統(tǒng)原邊諧振電壓和電流的波形過零點，根據(jù)過零點系統(tǒng)儲存能量相等測得系統(tǒng)的負載大小，但是這種方法由于過零點準確性的問題，測得的阻抗并不精確；文獻《非接觸電能傳輸系統(tǒng)的負載識別算法》根據(jù)負載性質不同時應用不同的系統(tǒng)模型來算出負載的大小，但是次級回路的拾取磁芯與初級回路導軌線圈之間的耦合程度以及導軌線圈的等效電阻和系統(tǒng)的諧振頻率的變化都會影響對負載的識別，所以對負載的識別精度有一定的影響。另外，目前已有的無線電能傳輸系統(tǒng)負載識別算法普遍存在的缺陷在于：在負載識別的同時，無法進行功率的傳輸，即負載識別與功率傳輸兩種工作狀態(tài)不可同時進行，無法動態(tài)識別負載。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術的不足之處，提供一種識別精度較高，電路結構簡單，而且能夠實現(xiàn)負載在正常供電模式下負載的動態(tài)識別，無需考慮原邊電壓、電流過零點，直接對副邊電流進行準確測量，就可以算出負載的大小，實現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)負載的在線識別。

為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明的負載在線識別的無線電能傳輸系統(tǒng)包括：直流電源、高頻逆變器、原邊基波能量發(fā)射模塊、原邊諧波能量發(fā)射模塊、副邊能量接收模塊、系統(tǒng)負載、副邊信號處理與發(fā)射模塊、原邊信號接收與處理模塊、選擇開關Ⅰ和選擇開關Ⅱ；

直流電源與高頻逆變器的輸入端相連接，高頻逆變器的輸出端分別與原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊的輸入端相連接，原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊與副邊能量接收模塊分別構成基波和諧波能量無線傳輸通道，副邊能量接收模塊與系統(tǒng)負載相連接，將能量以無線的方式傳遞給系統(tǒng)負載，副邊信號處理與發(fā)射模塊用以采集系統(tǒng)負載的瞬時電壓和電流，并將檢測到的信號通過無線的方式發(fā)送給原邊信號接收與處理模塊，原邊信號接收和處理模塊將采集到的信號轉換成驅動信號控制高頻逆變器；

其中原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊并行連接在高頻逆變器的輸出端，分別在基波頻率和3次諧波頻率下發(fā)生諧振，形成基波和三次諧波能量傳輸通道，根據(jù)作用在副邊能量接收模塊上的感應電壓和由副邊信號處理與發(fā)射模塊檢測出的負載電壓和電流信號，建立關于負載阻值和電抗的方程組，從而計算出系統(tǒng)負載的大小，再由原邊信號接收和處理模塊將負載信息傳遞到高頻逆變器，通過驅動高頻逆變器進行后續(xù)的功率控制，電壓調節(jié)等。

所述高頻逆變器采用全橋逆變電路，以獲得更大的功率輸出。

所述原邊基波能量發(fā)射模塊由基波線圈電感L_a1、基波諧振補償電容C_p1、基波電容C₁和原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1構成，原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1與基波電容C₁串聯(lián)，再與基波諧振補償電容C_p1并聯(lián)，最后與基波線圈電感L_a1串聯(lián)在高頻逆變器的輸出端。

所述原邊諧波能量發(fā)射模塊由諧波線圈電感L_a3、諧波諧振補償電容C_p3、諧波電容C₃和原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3構成，原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3與諧波電容C₃串聯(lián)，再與諧波諧振補償電容C_p3并聯(lián)，最后與諧波線圈電感L_a3串聯(lián)在高頻逆變器的輸出端。

所述副邊能量接收模塊包括順序連接的副邊基波磁能拾取線圈L_s1、副邊諧波磁能拾取線圈L_s3和副邊補償電容C_s1。

所述的副邊信號處理與發(fā)射模塊包括順序連接的電壓電流檢測電路、芯片DSP1和射頻發(fā)射模塊RF₁，電壓電流檢測電路用以檢測系統(tǒng)負載的電壓電流相位及大小信息；原邊信號接收與處理模塊包括順序連接的射頻接收模塊RF₂，接收射頻發(fā)射模塊RF₁傳遞的負載信息，芯片DSP2和驅動電路，用以驅動逆變器來進行后續(xù)對高頻逆變器的功率控制和電壓調節(jié)等。

一種負載在線識別的無線電能傳輸負載識別方法，其步驟如下：

a.斷開選擇開關Ⅰ和選擇開關Ⅱ，切出原邊諧波能量發(fā)射模塊，高頻逆變器正常工作，原邊基波能量發(fā)射模塊中的原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1和副邊能量接收模塊中的副邊基波磁能拾取線圈L_s1相耦合，副邊基波磁能拾取線圈L_s1接收來自原邊基波能量發(fā)射模塊中的能量并傳遞給系統(tǒng)負載；

b.利用副邊信號處理和發(fā)射模塊中的電壓電流檢測電路檢測出系統(tǒng)負載上的瞬時電壓和電流信號；

c.根據(jù)步驟b中檢測出來的系統(tǒng)負載兩端的電壓電流的大小及其相位關系，利用副邊信號處理與發(fā)射模塊的芯片DSP1判斷出系統(tǒng)負載的性質：若相位差為零，判斷系統(tǒng)負載為純阻性，若電壓和電流相位差大于零，判斷負載為阻感性，若電壓和電流相位差小于零，判斷負載為阻容性；

d.若系統(tǒng)負載為純阻性時，利用公式：將副邊信號處理和發(fā)射模塊檢測得的系統(tǒng)負載的電壓U、電流I代入計算出系統(tǒng)負載的阻值R；

e.若系統(tǒng)負載為非純阻性時，以阻感性負載為例，設系統(tǒng)負載(6)中的電阻為R，電感為L；閉合選擇開關Ⅰ和選擇開關Ⅱ，切入原邊諧波能量發(fā)射模塊，通過副邊能量接收模塊中的副邊磁能拾取線圈L_s1和副邊磁能拾取線圈L_s3接收來自原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊中的能量中并傳遞給系統(tǒng)負載，副邊信號處理和發(fā)射模塊檢測系統(tǒng)負載的瞬時電流值，利用芯片DSP1對系統(tǒng)負載的電流I進行快速傅里葉變換FFT分解，通過分析得到系統(tǒng)負載電流中的基波電流值I_s1和三次諧波電流值I_s3；

f.由疊加定理可知，系統(tǒng)負載上分解出的基波和三次諧波電流可以看成由原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊兩個通道單獨作用產(chǎn)生，結合系統(tǒng)負載電流大小，利用疊加定理，建立關于電阻和感抗的方程組：根據(jù)該方程即可得到系統(tǒng)負載的電阻R值和電感L值；

式中，M₁為原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1與副邊基波磁能拾取線圈L_s1之間的互感，M₃為原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3和副邊諧波磁能拾取線圈L_s3之間的互感，ωM₁I_P1和3ωM₃I_P3為原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊單獨作用在副邊能量接收模塊上的感應電壓，X為原邊諧波能量發(fā)射模塊單獨工作時副邊能量接收模塊中的感抗值，其中

g.識別結束后，斷開選擇開關Ⅰ和選擇開關Ⅱ，副邊信號處理與發(fā)射模塊將識別結果以無線的方式發(fā)送給原邊信號接收和處理模塊，進而反饋給高頻逆變器，高頻逆變器通過變頻或者移相的方法可以調節(jié)輸出的功率和電壓。

當選擇開關Ⅰ和選擇開關Ⅱ閉合時，高頻逆變器的輸出端接入原邊諧波能量發(fā)射模塊，與原邊基波能量發(fā)射模塊并聯(lián)連接，且滿足：時，原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊形成基波和三次諧波提取通道；此時，其它參數(shù)需滿足：

預設系統(tǒng)的耦合系數(shù)為k，系統(tǒng)原邊磁能發(fā)射線圈和副邊磁能接收線圈之間的互感值M為：

原邊導軌電流I_p1、I_p3表達式為：U₁、U₃為基波和三次諧波電壓有效值，U_d為逆變電路前端的直流電源，且滿足：

有益效果，相比于傳統(tǒng)的無線電能傳輸系統(tǒng)的負載識別方法，本方案解決了傳統(tǒng)方法不精確，電路檢測困難，計算方法復雜等問題，并且能夠在主電路不切斷的情況下直接識別出系統(tǒng)負載的性質和大小，即實現(xiàn)負載識別的功率傳輸?shù)耐瑫r進行；而且本方案在當前諧波降低電能質量的大環(huán)境下，無需濾除諧波，有效利用諧波進行負載識別，提高了能量的利用率；同時由于原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊采用了LCCL無功補償拓撲，既提高了系統(tǒng)的選頻能力，又能夠保持原邊導軌電流恒定，簡化了負載識別的過程。該系統(tǒng)采用諧波來進行負載識別，其步驟簡單，能量利用率高，對負載識別精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的逆變輸出電壓波形圖；

圖3是本發(fā)明的原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊電流波形；

圖4是本發(fā)明的副邊能量接收模塊電流波形圖；

圖5是本發(fā)明某一負載下的副邊能量接收模塊電流FFT分析圖；

圖6是本發(fā)明負載識別效果對比表(給定負載和識別結果對比表)。

圖中，1-直流電源；2-高頻逆變器；3-原邊基波能量發(fā)射模塊；4-原邊諧波能量發(fā)射模塊；5-副邊能量接收模塊；6-系統(tǒng)負載；7-副邊信號處理與發(fā)射模塊；8-原邊信號接收與處理模塊；9-選擇開關1；10-選擇開關2

具體實施方式

下面結合附圖對實施例做進一步說明：

如圖1所示，本發(fā)明的負載在線識別的無線電能傳輸系統(tǒng)，包括直流電源1、高頻逆變器2、原邊基波能量發(fā)射模塊3、原邊諧波能量發(fā)射模塊4、副邊能量接收模塊5、系統(tǒng)負載6、副邊信號處理與發(fā)射模塊7和原邊信號接收與處理模塊8、選擇開關Ⅰ9和選擇開關Ⅱ10；所述高頻逆變器2采用全橋逆變電路，以獲得更大的功率輸出，

直流電源1與高頻逆變器2的輸入端相連接，高頻逆變器2的輸出端分別與原邊基波能量發(fā)射模塊3和原邊諧波能量發(fā)射模塊4的輸入端相連接，由于LCCL無功補償拓撲原邊恒流和濾波效果較好的特點，使得基波和三次諧波通道作用在副邊能量接收電路中的感應電壓為恒定，因此只要測出副邊電路的電流即可求出負載的大小，而且由原邊電路的快速傅里葉變換FFT分析可知，該種無功拓撲圖的濾波效果很好，基本不受其他頻次的的波的影響；

原邊基波能量發(fā)射模塊3和原邊諧波能量發(fā)射模塊4與副邊能量接收模塊5構成基波和諧波能量無線傳輸通道，

所述原邊基波能量發(fā)射模塊3由基波線圈電感L_a1、基波諧振補償電容C_p1、基波電容C₁和原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1構成，原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1與基波電容C₁串聯(lián)，再與基波諧振補償電容C_p1并聯(lián)，最后與基波線圈電感L_a1串聯(lián)在高頻逆變器2的輸出端；

所述原邊諧波能量發(fā)射模塊4由諧波線圈電感L_a3、諧波諧振補償電容C_p3、諧波電容C₃和原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3構成，原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3與諧波電容C₃串聯(lián)，再與諧波諧振補償電容C_p3并聯(lián)，最后與諧波線圈電感L_a3串聯(lián)在高頻逆變器2的輸出端，

所述副邊能量接收模塊5包括順序連接的副邊基波磁能拾取線圈L_s1、副邊諧波磁能拾取線圈L_s3和副邊補償電容C_s1；副邊能量接收模塊5與系統(tǒng)負載6相連接，將能量以無線的方式傳遞給系統(tǒng)負載6，副邊信號處理與發(fā)射模塊7用以采集系統(tǒng)負載6的瞬時電壓和電流，并將檢測到的信號通過無線的方式發(fā)送給原邊信號接收與處理模塊8，原邊信號接收與處理模塊8將采集到的信號轉換成驅動信號控制高頻逆變器2；

所述的副邊信號處理與發(fā)射模塊7包括順序連接的電壓電流檢測電路、芯片DSP1和射頻發(fā)射模塊RF₁，電壓電流檢測電路用以檢測系統(tǒng)負載6的電壓電流相位及大小信息；原邊信號接收與處理模塊8包括順序連接射頻接收模塊RF₂，接收射頻發(fā)射模塊傳遞的負載信息，芯片DSP2和驅動電路，用以驅動逆變器來進行高頻逆變器2后續(xù)的功率控制和電壓調節(jié)。

一種無線電能傳輸負載識別方法，其步驟如下：

a.選擇開關斷開，切出原邊諧波能量發(fā)射模塊，高頻逆變器正常工作，原邊基波能量發(fā)射模塊中的原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1和副邊能量接收模塊中的副邊基波磁能拾取線圈L_s1相耦合，副邊基波磁能拾取線圈L_s1接收來自原邊基波能量發(fā)射模塊中的能量并傳遞給系統(tǒng)負載；

b.利用副邊信號處理和發(fā)射模塊中的電壓電流檢測電路檢測出系統(tǒng)負載上的瞬時電壓和電流信號；

c.根據(jù)步驟b中檢測出來的系統(tǒng)負載兩端的電壓電流的大小及其相位關系，由芯片DSP1判斷出系統(tǒng)負載的性質；若相位差為零，說明系統(tǒng)負載為純阻性，若電壓和電流相位差大于零，說明負載為阻感性，若電壓和電流相位差小于零，說明負載為阻容性；

d.若系統(tǒng)負載為純阻性時，利用公式：將副邊信號處理和發(fā)射模塊檢測得的系統(tǒng)負載的電壓U、電流I代入計算出系統(tǒng)負載的阻值R；

e.若系統(tǒng)負載為非純阻性時，以阻感性負載為例，設系統(tǒng)負載中的電阻為R，電感為L；選擇開關閉合，切入原邊諧波能量發(fā)射模塊，通過副邊能量接收模塊中的副邊磁能拾取線圈L_s1和L_s3接收來自原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊中的能量中并傳遞給系統(tǒng)負載，副邊信號處理和發(fā)射模塊檢測系統(tǒng)負載的瞬時電流值，由芯片DSP1對系統(tǒng)負載的電流I進行高頻逆變器FFT分解，通過分析得到系統(tǒng)負載電流中的基波電流值I_s1和三次諧波電流值I_s3；

f.根據(jù)疊加定理可知，系統(tǒng)負載上分解出的基波和三次諧波電流可以看成由原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊兩個通道單獨作用產(chǎn)生，結合系統(tǒng)負載電流大小，利用疊加定理，建立關于電阻和感抗的方程組：根據(jù)該方程即可得到系統(tǒng)負載的電阻R值和電感L值；

式中，M₁為原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1與副邊基波磁能拾取線圈L_s1之間的互感，M₃為原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3和副邊諧波磁能拾取線圈L_s3之間的互感，ωM₁I_P1和3ωM₃I_P3為原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊單獨作用在副邊能量接收模塊上的感應電壓，X為原邊諧波能量發(fā)射模塊單獨工作時副邊能量接收模塊中的感抗值，其中

g.識別結束后，將斷開選擇開關，副邊信號處理與發(fā)射模塊將識別結果以無線的方式發(fā)送給原邊信號接收和處理模塊，進而反饋給高頻逆變器，高頻逆變器通過變頻或者移相的方法來調節(jié)輸出的功率和電壓。

當選擇開關閉合時，高頻逆變器的輸出端接入原邊諧波能量發(fā)射模塊，與原邊基波能量發(fā)射模塊并聯(lián)連接，且滿足：時，原邊基波能量發(fā)射模塊和原邊諧波能量發(fā)射模塊形成基波和三次諧波提取通道；此時，其它參數(shù)需滿足：

預設系統(tǒng)的耦合系數(shù)為k，系統(tǒng)原邊磁能發(fā)射線圈和副邊磁能接收線圈之間的互感值M為：

原邊導軌電流I_p1、I_p3表達式為：U₁、U₃為基波和三次諧波電壓有效值，U_d為逆變電路前端的直流電源，且滿足：

以下為本發(fā)明的一個具體實施例。

實施例一：如圖1，對于一種工作在20kHz頻率下的無線電能傳輸系統(tǒng)，原邊基波能量發(fā)射環(huán)節(jié)中基波線圈電感L_a1取值為10μΗ，基波諧振補償電容C_p1為6.333μF，基波電容C₁為0.7036μF，原邊基波磁能發(fā)射線圈電感L_p1為100μΗ；原邊諧波能量發(fā)射環(huán)節(jié)中諧波線圈電感L_a3取值為3μΗ，諧波諧振補償電容C_p3為2.345μF，諧波電容C₃為0.07254μF，原邊諧波磁能發(fā)射線圈電感L_p3為100μΗ，耦合系數(shù)k為0.2，副邊能量接收模塊中L_s1和L_s2均為100μΗ，副邊諧振補償電容C_s1為0.3166μΗ，前級直流電源為20V。采用該方法進行無線電能傳輸系統(tǒng)負載識別的過程如下：

當系統(tǒng)設定一個負載(如R＝150Ω，L＝400μΗ)時，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出基波通道原邊導軌電流(即通過基波電容C₁)為：

其中：U₁為基波電壓有效值。

系統(tǒng)原邊基波磁能發(fā)射線圈L_p1和副邊基波磁能拾取線圈L_s1之間的互感M₁為

基波通道感應電壓為：

V_s1＝ωM₁I_p1＝2π×20000×20×10^-6×14.324＝36V

諧波通道原邊導軌電流(即通過諧波電容C₃)為：

其中：U₃為諧波電壓有效值。

系統(tǒng)原邊諧波磁能發(fā)射線圈L_p3和副邊諧波磁能拾取線圈L_s3之間的互感M₃為

感應電壓為：

V_s3＝3ωM₃I_p3＝3×2π×20000×20×10^-6×5.305＝40V

由下式算出系統(tǒng)識別出的負載：

即

其中，I_s1和I_s3由副邊電流的FFT分析結果得出。

由公式：算出

誤差為：

由上式可知，由公式算出的負載參數(shù)的誤差均在工程誤差5％以內，即本發(fā)明所提方法可以實現(xiàn)無線電能傳輸系統(tǒng)負載識別方法；圖2為本發(fā)明的逆變輸出電壓，圖3是本發(fā)明的原邊基波能量發(fā)射模塊導軌電流波形和原邊諧波能量發(fā)射模塊導軌電流波形，圖4是本發(fā)明的副邊能量接收模塊電流波形，圖5為本發(fā)明某一負載下的副邊能量接收模塊電流FFT分析圖。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。