本發(fā)明涉及無線電能傳輸領(lǐng)域。更具體地，公開了一種適用于工業(yè)環(huán)境的無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)自動化和智能化程度的不斷提升，越來越多的工業(yè)設(shè)備和傳感器需要穩(wěn)定、高效的電能供應(yīng)，尤其在高溫、高濕、震動等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用需求愈發(fā)突出。傳統(tǒng)的有線充電系統(tǒng)雖然在穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢，但在工業(yè)環(huán)境中存在著諸多缺點。首先，由于工作環(huán)境的惡劣，傳統(tǒng)有線充電系統(tǒng)容易遭遇線纜損壞、接口松動或電壓不穩(wěn)定等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)故障或停機，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和設(shè)備的穩(wěn)定性。尤其是在高溫高濕的環(huán)境中，線纜會因過熱或潮濕而加速老化，導(dǎo)致電氣連接不穩(wěn)定，增加了設(shè)備故障的風(fēng)險。此外，高溫還會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大，充電效率下降，甚至引發(fā)電池過熱或安全事故。高濕環(huán)境將導(dǎo)致電池內(nèi)部腐蝕，電解液泄漏或短路風(fēng)險增加。其次，有線充電系統(tǒng)的布線繁瑣，安裝和維護(hù)成本高，尤其在需要頻繁調(diào)節(jié)或替換充電設(shè)備的場景中，管理難度加大。而且，在高溫高濕的環(huán)境下，電纜和接頭將會受到損壞，進(jìn)而增加了維護(hù)和更換的頻率，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的運營成本。

2、近年來，無線電能傳輸（wpt）技術(shù)作為一種新興的能源傳輸方式，逐漸在工業(yè)應(yīng)用中得到關(guān)注。wpt系統(tǒng)通過電磁波傳輸能量，能夠避免傳統(tǒng)有線充電方式帶來的諸多問題，特別是在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，能夠有效降低設(shè)備故障率和維護(hù)成本。然而，現(xiàn)有的wpt系統(tǒng)大多存在一個問題：當(dāng)負(fù)載電阻或耦合系數(shù)發(fā)生變化時，如何同時實現(xiàn)恒定電壓輸出和最大效率傳輸，仍然是一個技術(shù)難題?，F(xiàn)有的wpt系統(tǒng)在處理負(fù)載變化或耦合系數(shù)波動時，往往無法做到效率與穩(wěn)定性的平衡，導(dǎo)致充電效率低下或電壓不穩(wěn)定，影響工業(yè)設(shè)備的正常運行。此外，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)損壞時，有線充電難以保證充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與完好性，將會導(dǎo)致電力傳輸中斷或設(shè)備受損。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，如何在不影響系統(tǒng)效率的前提下，提供穩(wěn)定的電壓輸出，并適應(yīng)不同工業(yè)環(huán)境的變化，成為無線電能傳輸系統(tǒng)需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。針對這一挑戰(zhàn)，本發(fā)明提出了一種雙邊控制方案，結(jié)合發(fā)射端同步整流（dc-dc）和接收端半有源整流器（sar），通過精確控制占空比和相移角，在負(fù)載變化和耦合系數(shù)波動的情況下，始終保持恒定電壓輸出和最大效率傳輸。具體而言，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)sar的相移角 α來維持恒定電壓輸出，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時通過調(diào)整發(fā)射端dc-dc轉(zhuǎn)換器的占空比 d，使系統(tǒng)能夠在輸入功率與輸出功率之間保持最佳匹配，最大化系統(tǒng)傳輸效率。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種適用于工業(yè)環(huán)境的無線電能傳輸系統(tǒng)。包括以下步驟：

3、s1、根據(jù)所提出的無線電能傳輸系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型；

4、s2、根據(jù)s1得到的數(shù)學(xué)模型對系統(tǒng)效率進(jìn)行分析；

5、s3、根據(jù)s2得到的效率分析結(jié)果對系統(tǒng)實施met控制分析；

6、s4、根據(jù)s3得到的met控制分析結(jié)果提出雙側(cè)控制方案；

7、進(jìn)一步的，s1所訴的建立數(shù)學(xué)模型包括以下步驟：

8、s11、基于拓?fù)湓砜芍哳l逆變器（hfi）的輸出電壓 u i和半有源整流器（sar）的輸入電壓 u o有效值可表示為：

9、；

10、式中： θ， α，分別為高頻逆變器(hfi)和半有源整流器(sar)的導(dǎo)通角， d、 u dc和 u d分別為dc-dc轉(zhuǎn)換器的占空比、輸出電壓和輸入電壓，為了使系統(tǒng)發(fā)射端工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，hfi的導(dǎo)通角 θ取180°，固。

11、s12、 r o為sar和負(fù)載（ r b）的等效電阻，可以表示為：

12、；

13、s13、由基爾霍夫定律可以得到ss補償網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型：

14、；

15、式中： l p、 l s為耦合線圈自感， m為耦合線圈互感； c p、 c s為ss補償網(wǎng)絡(luò)中的補償電容， r p、 r s為耦合線圈中的寄生電阻， i i為原邊線圈輸入電流有效值， i o為副邊線圈輸出電流有效值，其中， f為電能傳輸頻率。

16、進(jìn)一步的，s2所述的對系統(tǒng)效率進(jìn)行分析包括以下步驟：

17、s21、為了使系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，ss補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計應(yīng)滿足以下要求：

18、

19、s22、將s21所述的數(shù)學(xué)模型代入s13中可以得到線圈的輸入輸出電流有效值表達(dá)式為：

20、；

21、s23、耦合機構(gòu)的輸入輸出功率可表示為：

22、；

23、其中 p i為輸入功率， p o為輸出功率。

24、s24、基于功率表達(dá)式可得到電能的傳輸效率為：

25、；

26、s25、基于效率公式對等效阻抗 r o求導(dǎo)，并令其導(dǎo)數(shù)為零，可以得到系統(tǒng)在最大效率點對應(yīng)的最佳等效阻抗 r o -opt，其表達(dá)式為：

27、；

28、由上式可知，在耦合線圈參數(shù)確定的情況下，系統(tǒng)效率最大化所對應(yīng)的最優(yōu)等效負(fù)載阻抗 r o -opt會隨著互感 m的變化而變化的。這意味著，由于耦合線圈的偏移或其他因素導(dǎo)致互感 m發(fā)生變化， r o -opt將不再保持恒定。因此，為了使系統(tǒng)始終工作在最佳效率狀態(tài)，就需要不斷跟蹤最優(yōu)等效負(fù)載阻抗。

29、進(jìn)一步的，根據(jù)s3所述的對系統(tǒng)進(jìn)行met控制分析步驟如下：

30、s31、基于sar拓?fù)?，根?jù)功率守恒原則應(yīng)滿足以下等式：

31、；

32、式中： u b為sar的輸出電壓。

33、s32、根據(jù)s22和s31，hfi輸出電壓的有效值可以表示為：

34、；

35、s33、將s12代入s32可得到 u i和 u b之間的關(guān)系式為：

36、；

37、s34、將s11代入s33中可得到 d和之間的關(guān)系式為：

38、；

39、s35、通過將 d于微分可以獲得以下等式：

40、；

41、s36、當(dāng)系統(tǒng)工作在最佳等效負(fù)載點時，結(jié)合s12和s25可推導(dǎo)出使系統(tǒng)工作在最大效率點處的：

42、；

43、s37、將s36代入s35中可以得到在最大效率點處發(fā)射側(cè)dc-dc轉(zhuǎn)換器的占空比 d和接收側(cè)sar導(dǎo)通角 α之間最優(yōu)函數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

44、；

45、s38、由s37可知，使系統(tǒng)工作在最大效率的最佳等效阻抗點處的導(dǎo)數(shù)與負(fù)載 r b是無關(guān)的，并且由于因此數(shù)學(xué)表達(dá)式可近似地化簡為：；

46、因此，由數(shù)學(xué)表達(dá)式可以得出結(jié)論，系統(tǒng)工作在最大效率點處的導(dǎo)數(shù)與輸入和輸出直流電壓以及耦合線圈的寄生電阻有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)輸入直流電壓 u d保持恒定時，通過調(diào)整接收器側(cè)sar的相移角 α，就能使系統(tǒng)的輸出直流電壓 u b保持恒定，其中 r p、 r s也是恒定不變的。因此，對于本發(fā)明所提出的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到最大值時，導(dǎo)數(shù)始終為固定值 δ，并且不受互感和負(fù)載電阻變化的影響。

47、進(jìn)一步的，s4所述引入雙側(cè)控制方案包括以下步驟：

48、s41、進(jìn)一步地的二階導(dǎo)數(shù)可推導(dǎo)為：；

49、s42、由s35可以看出，導(dǎo)數(shù)總是負(fù)的，這意味著 d隨單調(diào)增加而減小。并且從s41可以明顯看出，二階導(dǎo)數(shù)總是正的，這表明隨單調(diào)增加而增加。因此，為滿足系統(tǒng)實現(xiàn)最大效率跟蹤需求，只需協(xié)調(diào)發(fā)射端dc-dc轉(zhuǎn)換器的占空比和接收側(cè)sar的移相角，即通過逐步增大移相角α，并將導(dǎo)數(shù)與固定值 δ進(jìn)行比較，并持續(xù)跟蹤最優(yōu)值 δ。

50、s43、接收側(cè)控制cv輸出：通過在不可控整流裝置中引入兩個可控開關(guān)管 q7、 q8，給系統(tǒng)引入了另一個可控的自由度，也就是sar的移相角 α?；趕11可知，無線電能傳輸（wpt）系統(tǒng)的輸出電壓可以通過調(diào)節(jié)移相角 α來調(diào)節(jié)?？煽亻_關(guān)管 q7和 q8的開關(guān)狀態(tài)決定了流向負(fù)載的功率。因此wpt系統(tǒng)的接受側(cè)可以被認(rèn)為是由不可控整流加dc-dc轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

51、s44、發(fā)射端met控制：根據(jù)上述分析，該系統(tǒng)可以通過自動調(diào)整sar的相移角 α來保持cv輸出。然而，在發(fā)射端dc-dc控制器未參與調(diào)節(jié)的情況下，系統(tǒng)的輸入功率會因輸出功率的變化而偏離最優(yōu)值，從而導(dǎo)致顯著的功率損耗，進(jìn)而降低系統(tǒng)的傳輸效率。為解決這一問題，本發(fā)明引入了通過調(diào)整dc-dc轉(zhuǎn)換器占空比來優(yōu)化系統(tǒng)效率的機制，使系統(tǒng)能夠動態(tài)匹配最佳的操作點。通過精確調(diào)整占空比 d，可以找到 d和 α之間的最佳匹配點，從而最大化系統(tǒng)的傳輸效率。

52、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

53、1.?本發(fā)明提出的wpt系統(tǒng)采用了ss補償網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具備卓越的帶寬能力和穩(wěn)定性，并且抗干擾能力強。此外，ss補償網(wǎng)絡(luò)無需復(fù)雜的補償電路器件，不僅降低了系統(tǒng)成本，還有效縮小了設(shè)備體積。同時，減少了無源器件的使用，進(jìn)一步降低了電路損耗，從而提升整體能效。憑借這些優(yōu)勢，該系統(tǒng)即能用于大型負(fù)載，還適用于為小型傳感器或移動機器人提供無線電能傳輸。

54、2.?本發(fā)明采用占空比 d和移相角 α作為關(guān)鍵控制變量，無需依賴復(fù)雜計算來實時評估耦合系數(shù)。該控制方法在負(fù)載電阻和耦合系數(shù)變化的情況下，能夠同時實現(xiàn)恒定電壓（cv）輸出和最大效率傳輸（met）控制。由于這些參數(shù)易于獲取，無需額外配置昂貴的功率、電壓或電流傳感器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔高效。該控制策略不僅增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時還有效縮小了系統(tǒng)體積，降低了硬件成本，顯著提升了整體經(jīng)濟性和實用性。

55、3.?本發(fā)明所使用的系統(tǒng)無需在接收端和發(fā)射端增添額外的功率變換電路，而是直接基于必備功率電路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。此方法不僅節(jié)省了空間，減小了系統(tǒng)體積，降低了制造和維護(hù)成本，同時減少了功率器件的使用數(shù)量，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)損耗，從而顯著提升能效。