[發(fā)明專利]一種用于無線電能傳輸系統(tǒng)的動態(tài)阻抗匹配系統(tǒng)及方法

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• 申請日: 2020-05-17
• 公開（公告）號: CN111682655A
• 公開（公告）日: 2020-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏雪冰;張海燕;王超;歐術(shù)培;韓雅楠
• 申請（專利權(quán)）人: 上海電機(jī)學(xué)院
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12;H02J50/70
• 代理公司: 上海科盛知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 孫永申

本發(fā)明涉及一種用于無線電能傳輸系統(tǒng)的動態(tài)阻抗匹配系統(tǒng)及方法，其中，系統(tǒng)包括反射系數(shù)檢測模塊、電感、第一動態(tài)可調(diào)電容器、第二動態(tài)可調(diào)電容器、中央處理單元和電機(jī)控制模塊，對應(yīng)的動態(tài)阻抗匹配方法包括：無線電能傳輸系統(tǒng)開始工作后，產(chǎn)生阻抗匹配要求，搭建匹配網(wǎng)絡(luò)電路，利用該系統(tǒng)中的反射系數(shù)檢測模塊檢測反射系數(shù)，并將其傳輸至該系統(tǒng)中的中央處理單元，經(jīng)過處理后再由該系統(tǒng)中的電機(jī)控制模塊根據(jù)匹配算法動態(tài)自適應(yīng)控制匹配網(wǎng)絡(luò)電路中的第一動態(tài)可調(diào)電容器和第二動態(tài)可調(diào)電容器，改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以實時滿足阻抗匹配要求并得到對應(yīng)的諧振點(diǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有減少諧振點(diǎn)調(diào)節(jié)時間，避免電容等器件損耗等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于無線電能傳輸系統(tǒng)的動態(tài)阻抗匹配系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

阻抗匹配技術(shù)的研究是磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)的最終目標(biāo)，因為如果諧振系統(tǒng)達(dá)到了阻抗匹配，無論是負(fù)載的阻抗匹配，還是輸入端的阻抗匹配，都將大大優(yōu)化系統(tǒng)的傳輸效率、傳輸功率，同時也能改善近距離傳輸過程中產(chǎn)生的頻率分裂現(xiàn)象，因此阻抗匹配技術(shù)是磁耦合諧振系統(tǒng)的本質(zhì)。對于磁諧振無線電能傳輸技術(shù)而言，工作頻率的提高有利于提高系統(tǒng)的傳輸特性；而對于高頻開關(guān)功率電源而言，提高頻率可以減小無源元件的尺寸，增加驅(qū)動源能量密度，阻抗不匹配會直接導(dǎo)致效率的下降，當(dāng)系統(tǒng)處于欠耦合時，系統(tǒng)的傳輸效率無法達(dá)到最大值。當(dāng)系統(tǒng)處于過耦合時系統(tǒng)會出現(xiàn)頻率分裂現(xiàn)象，此時系統(tǒng)出現(xiàn)兩個諧振頻率且效率均不高。阻抗匹配可以改變系統(tǒng)的參數(shù)，一般具有兩種形式，一種是完全匹配，即源阻抗和負(fù)載阻抗完全相等，此時模和相位都一致，傳輸無失真，另外一種是共軛匹配，即負(fù)載阻抗等于源阻抗的共軛值，此時負(fù)載可以從源端獲得最大能量。常用的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)LC和DC-DC型，其中LC型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)又包括π型、τ型以及T型。

π型、τ型主要匹配阻抗的虛部，而DC-DC型通過調(diào)節(jié)占空比，可以改變阻抗的實部有效值。阻抗匹配方案對于原有固定參數(shù)的無線輸電系統(tǒng)，其理論參數(shù)很容易設(shè)計計算，但實際參數(shù)不易調(diào)節(jié)，因為電容值一般是離散的，對于系統(tǒng)某些參數(shù)變化時，比如傳輸間距變換或者負(fù)載變化時，其阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的參數(shù)均要重新計算設(shè)計并調(diào)節(jié)，且非理想電容器和電感的引入，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)本身也產(chǎn)生了附加的功率損耗，同時增加了整個系統(tǒng)的體積和重量。而對于高頻無線電能傳輸來說，對于諧振點(diǎn)的尋找非常重要，通過設(shè)計計算的π型、τ型及DC-DC型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)可能很難滿足高頻無線充電系統(tǒng)對于諧振點(diǎn)的尋找，對已經(jīng)設(shè)計好的電路難以進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法進(jìn)行動態(tài)的調(diào)節(jié)，無法精確的進(jìn)行調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于無線電能傳輸系統(tǒng)的動態(tài)阻抗匹配系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種用于無線電能傳輸系統(tǒng)的動態(tài)阻抗匹配系統(tǒng)，設(shè)置于無線電能傳輸系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括反射系數(shù)檢測模塊、電感、第一動態(tài)可調(diào)電容器、第二動態(tài)可調(diào)電容器、中央處理單元和電機(jī)控制模塊，所述反射系數(shù)檢測模塊經(jīng)所述電感和所述第一動態(tài)可調(diào)電容器與負(fù)載端阻抗的一端相連接，所述反射系數(shù)檢測模塊還另經(jīng)所述第二動態(tài)可調(diào)電容器與所述負(fù)載端阻抗的另一端相連接，所述反射系數(shù)檢測模塊還與所述中央處理單元相連接以將入射和反射電壓數(shù)據(jù)傳輸至所述中央處理單元，所述中央處理單元還與所述電機(jī)控制模塊相連接以將所述第一動態(tài)可調(diào)電容器和所述第二動態(tài)可調(diào)電容器的位置量傳輸至所述電機(jī)控制模塊，所述電機(jī)控制模塊分別與所述第一動態(tài)可調(diào)電容器和所述第二動態(tài)可調(diào)電容器相連接以調(diào)節(jié)電容值進(jìn)而改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以滿足阻抗匹配要求。

進(jìn)一步地，所述的第一動態(tài)可調(diào)電容器的電容值范圍為100pF～1500pF。

進(jìn)一步地，所述的第二動態(tài)可調(diào)電容器的電容值范圍為100pF～1500pF。

進(jìn)一步地，所述的無線電能傳輸系統(tǒng)包括相互連接的正弦信號電路模塊、寬帶線性功放電路模塊、電磁發(fā)射子系統(tǒng)模塊、電磁接受子系統(tǒng)模塊、整流調(diào)壓模塊和負(fù)載。