基于磁耦合谐振的无线供电系统及最大效率点的跟踪方法

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及基于磁耦合谐振的无线供电系统及最大效率点的跟踪方法。

背景技术：

1、无线电能传输技术可以近距离无接触的进行电能传输，避免了传统供电方式带来的连接线和电池容量问题，由于其高灵活性、高安全性以及高可靠性等优点，在植入式医疗设备、可穿戴设备、电动汽车等领域有着广阔的应用前景。磁耦合谐振作为无线电能传输技术其中一种方式，通过将无线供电发射端和接收端设置在相同的谐振频率，从而获得较远的传输距离和较低的能量损耗，提升了无线供电系统整体的效率。

2、当发射线圈和接收线圈之间发生偏移，互感会随之发生变化，无线供电系统的能量传输效率会变差。对于某一互感下，存在一个可以使整个系统效率最大的最优负载或频率点，最大效率点跟踪所做的就是在系统互感变化时，相应调整接收端的负载网络使其重新回到最优负载或频率点，提高系统效率。传统的控制方法是在发送侧和接收侧都使用dc-dc转换器来调节输出电压并最大化系统效率，但是增加了dc-dc的总体复杂性，负载变化也是非线性的。因此需要设计一款可线性调节接收端负载的无线供电系统，且在此基础上提出了一种最大效率点跟踪控制方法，以提高了系统的能量传输效率。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术的不足，提供一种基于磁耦合谐振的无线供电系统及最大效率点的跟踪方法。

2、为了实现上述目的，本发明提供了一种基于磁耦合谐振的无线供电系统，包括发射端和接收端。

3、发射端，包括电源、与电源连接的第一微控制器和e类功率放大器模块、连接于第一微控制器和e类功率放大器模块之间的电流检测放大器，以及两端连接第一微控制器和电流检测放大器的输出可调节dc-dc模块；电流检测放大器通过感应电阻将输入电流等比放大为电压后，第一微控制器对放大后的电压进行采集并转换为对应电流值，e类功率放大器将输出可调节dc-dc模块输出的直流电能转化为电磁能，并耦合至接收端；

4、接收端，包括依次连接的输入谐振电路、全波整流桥电路、低压差线性稳压器和负载；全波整流桥电路与低压差线性稳压器之间连接有第二微控制器；第二微控制器采集低压差线性稳压器的输入电压，并通过无线通信发送至第一微控制器，第一微控制器将采集到的电流数据和电压数据作为控制方法的反馈数据，进行了逻辑运算，其计算结果作为发射端输出电压对无线供电系统进行控制。

5、优选的，输出可调dc-dc模块包括依次连接的数模转换器和dc-dc模块，输出可调dc-dc模块包括至少三个电阻，通过控制每一电阻的大小决定最终输出电压的范围与精度，dc-dc模块的输出电压和每个支路电流的计算公式如下：

6、

7、其中，i1、i2、i3为流过r1、r2、r3的电流大小；vout为dc-dc模块的输出电压；vdac为数模转换器的输出电压；vfb为dc-dc模块的fb引脚电压。

8、优选的，e类功率放大器模块包括晶体管q1、晶体管驱动芯片、扼流电感l、输出谐振电路；晶体管驱动芯片的一端连接于电源，另一端连接于晶体管q1的栅极和源极，且晶体管q1的漏极和源极连接于输出谐振电路；扼流电感l连接于输出谐振电路的输入端与电流检测放大器的输出端之间；输出谐振电路的输出端与接收端中的输入谐振电路耦合。

9、优选的，晶体管q1的最大漏源电压大于等于100v，晶体管驱动芯片产生的信号波形为方波且频率为13.56mhz；扼流电感l为大于等于68uh的功率电感；输出谐振电路包括依次连接的输出谐振电容和发射线圈l1，用于产生13.56mhz的交流电。

10、优选的，接收端采用低压差线性稳压器结构，以使接收端等效负载可通过控制低压差线性稳压器输入电压线性调节，低压差线性稳压器输入端的等效负载的计算公式如下：

11、rl′＝krl；

12、其中，rl为低压差线性稳压器的实际负载；k为低压差线性稳压器的输入输出电压之比；rl’为低压差线性稳压器的输入端等效负载。

13、优选的，输入谐振电路包括接收线圈l2和阻抗匹配网络，阻抗比配网络为l型结构连接于接收线圈l2的两端，用于将接收到的电磁能转化为高频交流电；接收线圈l2从电磁场接收的电压与发射端电流和发射线圈l1之间的互感正相关，接收线圈l2接收的电压计算公式为：

14、v2＝i1jwlm；

15、其中，v2是接收线圈电压；i1为发射端电流；j为虚数单位；w为谐振电流角频率；lm为线圈互感。

16、优选的，输出谐振电路和输入谐振电路的谐振频率均为13.56mhz。

17、优选的，电流检测放大器的型号为ina190；第一微控制器和第二微控制器的型号均为nrf52832；全波整流桥电路包括至少四个首尾相连的单向导通元件，单向导通元件为肖特基二极管。

18、本发明还提供了一种基于磁耦合谐振的无线供电系统最大效率点的跟踪方法，其跟踪方法包括以下步骤：

19、s1：接收端供电开始工作后，第二微控制器采集低压差线性稳压器的输入电压并通过无线通信上传至发射端；

20、s2：发射端的第一微控制器接收到接收端传送的数据后，根据低压差线性稳压器的输入电压和发射端电流计算出互感、接收端并联电容等效负载和互感值对应的目标等效负载；

21、s3：计算使接收端并联电容等效负载等于目标等效负载所需调节的低压差线性稳压器的输入电压与输出电压的比值；

22、s4：计算发射端使接收端的低压差线性稳压器输入电压调整为步骤s3的计算结果所需的电流大小；

23、s5：发射端的第一微控制器调节dc-dc模块的输出电压，使发射端电流大小为步骤s4的计算结果，以完成最大效率点跟踪。

24、优选的：步骤s2中，互感、接收端并联电容等效负载和目标等效负载的计算公式如下：

25、

26、其中，a为接收端线圈交流电压峰值和低压差线性稳压器前级直流电压值之比；w为无线供电系统的谐振角频率；i10为dc-dc模块变化前的发射端电流；k为低压差线性稳压器输入电压与输出电压比值；c为接收端并联电容值；rl为低压差线性稳压器负载；r1为发射线圈内阻；r2为接收线圈内阻；vldo为低压差线性稳压器的输入电压；

27、步骤s3中，低压差线性稳压器的输入电压与输出电压的比值的计算公式为：

28、

29、其中，k为低压差线性稳压器的输入电压与输出电压比值；c为接收端并联电容值；rl为低压差线性稳压器的负载值；rcropt为调整后的目标等效负载；

30、步骤4中，电流大小的计算公式为：

31、

32、其中，k为步骤s3中的计算结果；a为接收线圈l2交流电压的峰值和低压差线性稳压器前级直流电压值之比；w为无线供电系统的谐振角频率；lm为步骤s2中的计算结果；vout为低压差线性稳压器的输出电压；

33、步骤s5中，dc-dc模块经第一微控制器调整后，其输出电压的计算公式为：

34、

35、其中，v1为dc-dc模块变化后的数值；v10为dc-dc模块变化前的数值；i1为第四步中计算结果；i10为变化前发射端电流。

36、本发明提供的基于磁耦合谐振的无线供电系统及最大效率点的跟踪方法的有益之处在于：在基于磁耦合谐振的无线供电系统的接收端采用低压差线性稳压器实现了对等效负载的线性调节功能，避免了使用dc-dc模块导致的等效负载非线性变化，简化了计算复杂度。其最大效率点的跟踪方法仅仅通过发射端的输出可调节dc-dc模块实现，相比于双侧dc-dc控制、辅助测量线圈等设计，简化了电路结构，减少了电路本身带来的损耗；控制方法的流程相较于将给定值与实际值的偏差进行比例和积分运算的pi控制方法更为简单，省去了多次比较调整的过程，反应速度较快。