一種面向多供電模式的輸電控制策略和能量傳輸頻率優(yōu)化算法

馬曉紅　朱玉錦　李慧聰　丁學(xué)田

摘 要：為了提高交流電源供電下充電信息能量傳輸效率，設(shè)計(jì)了一種面向多供電模式的輸電控制策略和能量傳輸頻率優(yōu)化算法。建立了一個(gè)LC串聯(lián)電路的具體模型，并利用傅里葉變換的方法來實(shí)現(xiàn)將線性系統(tǒng)的時(shí)域穩(wěn)態(tài)特征轉(zhuǎn)變成頻域模型，構(gòu)建了頻域模型對(duì)物理過程對(duì)能量傳輸效率的各項(xiàng)影響因素進(jìn)行分析。仿真分析得到：發(fā)生共振時(shí)電壓源將會(huì)形成頻率分叉的情況但電流源模式不會(huì)受到影響，經(jīng)實(shí)際測(cè)試可知處于共振與電壓源模式下都會(huì)發(fā)生頻率分叉，得到跟模型預(yù)測(cè)相同的結(jié)果，驗(yàn)證了該算法的可行性。該方法對(duì)提高多供電模式下電控制系統(tǒng)的傳輸頻率起到一定的理論支撐作用。

關(guān)鍵詞： 二維全向; 無線充電; 能量傳輸; 供電模式

中圖分類號(hào)： TN 014

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In order to improve the efficiency of charging information and energy transmission under AC power supply， a transmission control strategy and energy transmission frequency optimization algorithm for multi-supply mode is designed. A concrete model of LC series circuit is established， and the time-domain steady-state characteristic of linear system is transformed into a frequency-domain model by means of Fourier transformation. Simulation analysis showswhen resonance occurs， the voltage source will form frequency bifurcation， but the current source mode will not be affected. The actual test shows that frequency bifurcation will occur in both resonant and voltage source modes， and the result is the same as that predicted by the model， which verifies the feasibility of this algorithm. This method plays a theoretically supporting role in improving the transmission frequency of the power control system under the multi-supply mode.

Key words： two-dimensional omnidirectional; wireless charging;energy transfer; power supply mode

0 引言

具有兩相供電結(jié)構(gòu)的二維全向無線充電技術(shù)需要綜合運(yùn)用多種信息與物理處理方法;具體包括對(duì)電能實(shí)施輸送、轉(zhuǎn)換與吸收，將二個(gè)正交發(fā)送線圈與頻率一致而相位差為90°的交流電源相連[1-3]，從而使含有二個(gè)發(fā)送線圈形成沿軸線分布的磁場(chǎng)，之后可以通過電磁感應(yīng)方式接收能量;對(duì)上述物理信息進(jìn)行采集并計(jì)算再根據(jù)得到的完成相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)物理狀態(tài)的改變，利用這種方式可以實(shí)現(xiàn)離散與連續(xù)計(jì)算的目標(biāo)，將其表示為兩相供電2DOWC-CPS[4-7]。

韓國技術(shù)研究院設(shè)計(jì)得到由4個(gè)正交發(fā)送線圈構(gòu)成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過兩相電流源來形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并完成二維全向輸電[8-10];同時(shí)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)通過二個(gè)正交發(fā)送線圈并結(jié)合兩相電流源的方法來形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而達(dá)到二維全向輸電的目標(biāo)[11-13];此外，香港大學(xué)構(gòu)建了由二個(gè)正交發(fā)送線圈組成的系統(tǒng)，依次通過幅度調(diào)制兩相與單相電流源的方式來完成二維全向輸電的目標(biāo)[14-15]。但以上方法基本都是從物理特征變化的層面來實(shí)現(xiàn)二維全向無線充電，無法充分考慮所有計(jì)算內(nèi)容以及優(yōu)化物理過程的能量傳輸方式[16-17]。

為了提高交流電源供電下充電信息能量傳輸效率，設(shè)計(jì)了一種面向多供電模式的輸電控制策略和能量傳輸頻率優(yōu)化算法，該方法對(duì)提高多供電模式下電控制系統(tǒng)的傳輸頻率控制能夠發(fā)揮理論參考的功能。

1 供電2DOWC-CPS的形式

針對(duì)兩相供電2DOWC-CPS構(gòu)建仿真模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的物理層結(jié)構(gòu)、算法并選擇合適的AD/DA模型。同時(shí)不考慮計(jì)算過程的具體通信方式影響，也不考慮DA/AD接口的具體形式[18-20]。

對(duì)于一個(gè)兩相供電2DOWC-CPS結(jié)構(gòu)來說，由三個(gè)共振角頻率為ω0的線圈組成，各線圈呈現(xiàn)正交分布狀態(tài)，可以看到由LC串聯(lián)電路組成的模型，如圖1所示。

接收線圈3以及發(fā)送線圈1/2對(duì)應(yīng)的耦合系數(shù)分別是k23與k13;ω是電源角頻率，Rs1、Rs2代表電源的串聯(lián)內(nèi)阻，Rs3為負(fù)載電阻;C1、C2、C3分別對(duì)應(yīng)各線圈外接電容，同時(shí)采用R1、R2、R3表示線圈內(nèi)阻;I1、I4、I3為接收線圈3與發(fā)送線圈1/2對(duì)應(yīng)的有效電流參數(shù);U1、U2為發(fā)送線圈1/2對(duì)應(yīng)的電源電壓，將收線圈3對(duì)應(yīng)的負(fù)載電壓表示成U3。

2 兩相供電2DOWC-CPS優(yōu)化

可以利用傅里葉變換的方法來實(shí)現(xiàn)將線性系統(tǒng)的時(shí)域穩(wěn)態(tài)特征轉(zhuǎn)變成頻域模型;為進(jìn)一步簡(jiǎn)化變換過程，本研究專門建立頻域模型來分析對(duì)能量傳輸效率造成影響的相關(guān)因素。