技术领域

本发明属于无线电能传输领域，具体涉及一种基于非对称结构的双端供电无线电能传输系统及控制方法。

背景技术

轨道交通采用无线电能传输技术能够解决现阶段接触供电产生火花、摩擦、碳积等问题，避免了潮湿、水下等环境用电设备存在电击的潜在危险，具有安全，可靠，方便，无污染等优点，可极大地提高供电安全性和可靠性。

在轨道交通长距离供电领域，根据地面高频逆变器配置方案，现有的供电系统可分为集中式和分散式供电。集中式供电是通过一台大功率容量的高频电源通过切换开关分别向发射线圈供电，但馈线电缆较长，严重降低了系统的工作效率。因此，长距离供电系统中往往采用基于多台容量较小的高频逆变器分段式供电。在现有的无接触供电技术中，发射线圈均为单一激励源及单端供电方式，若高频逆变器发生故障，将导致其所对应的发射线圈供电区失效，造成车辆无法正常供电，严重时将影响列车的安全运行。

双端供电无线电能传输系统是一种全新的拓扑结构，将布置在发射线圈两端的相邻同时向同一个发射线圈供电。相对传统单端供电形式，双端供电能够减少馈线电缆的长度，减小系统额外损耗，提高系统工作效率，同时双端逆变器同时供电可以提高系统输出功率；当供电电路发生故障时系统能够将故障电路切除并由另一个供电电路独立供电，保障系统正常运行。

现有双端供电方案中,中国专利申请CN20201123672.6“一种双端供电无线电能传输”公开了一种双端供电拓扑结构。但该结构为对称的LCL拓扑结构，系统只能够实现接收侧恒压输出，无法实现恒流输出，同时，双端逆变器输出电压相位和幅值不一致时，会产生很大的系统环流。

中国专利申请CN201610318334.2“感应耦合电能传输系统双端供电电源控制方法”公开了一种无线电能传输双端供电结构以及输出功率和电流控制方法，但该系统可等效为高频电源输出端并联，系统需要与发射线圈同等长度的馈线电缆。此外，现有文献中对于无线能量传输的双端供电技术未见报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有单端供电可靠性低的技术缺点，提出一种基于非对称结构的双端供电无线电能传输系统及控制方法，本发明在长距离供电的无线能量传输系统中，当单个供电系统发生故障时，双端供电无线电能传输系统能够将故障电路切除并保证系统正常运行，有效提高了供电系统的可靠性。

本发明适用于长距离供电的无线电能传输系统，特别是大功率、大电流的长距离的无线电能传输系统，如轨道交通和移动式电动汽车无线电能传输系统，本发明供电方式灵活，可靠性高。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：

一种基于非对称结构的双端供电无线电能传输系统，由发射部分和接收部分组成。

所述接收部分包括依次连接的接收线圈、接收侧补偿电容、整流滤波电路和负载；

所述发射部分中：直流电源E₁、高频逆变器H₁、补偿电感L₁、切换开关Q₁和补偿电容C₁依次连接组成供电电路I；直流电源E₂、高频逆变器H₂依次连接组成供电电路II，切换开关Q₂与高频逆变器H₂输出端并联；供电电路I、发射线圈P、补偿电容C_p1、补偿电容C_p2以及供电电路II依次串联连接，直流电源E₁和直流电源E₂为独立电源，发射线圈P包括发射线圈L_p1和发射线圈L_p2，两个发射线圈并联绕制并具有两个端口。切换开关Q₁的控制端与控制器K₁相连接，切换开关Q₂的控制端与控制器K₂相连接。当切换开关Q₁闭合，切换开关Q₂断开时，供电电路I和供电电路II同时向接收侧供电，通过控制高频逆变器H₂输出电压可实现接收侧恒压输出，同时可以调节高频逆变器H₁和H₂的功率分配，高频逆变器H₁和高频逆变器H₂工作频率相等且输出电压相位相差90度。切换开关Q₁断开，切换开关Q₂闭合时，仅由供电电路II向接收侧供电，接收侧为恒流输出；切换开关Q₁闭合，切换开关Q₂闭合时，仅由供电电路I向接收侧供电，接收侧为恒压输出。

所述的发射线圈P中发射线圈L_p1的一端与供电电路I中补偿电容C₁和补偿电感L₁的公共点相连接，发射线圈L_p1的另一端与补偿电容C_p1串联后与供电电路II中高频逆变器H₂的一端相连接；发射线圈L_p2的一端与供电电路I中高频逆变器H₁和补偿电容C₁的公共点相连接，发射线圈L_p2的另一端与补偿电容C_p2串联后与供电电路II中高频逆变器H₂的另一端相连接。

所述的补偿电感L₁的电感值L₁由式(1)确定：

所述补偿电容C₁的容值由式(2)确定：

所述补偿电容C_p1、C_p1的容值由式(3)确定：

式(1)、式(2)、式(3)中，为直流电源E₁输出电压值，V_L为接收侧直流输出设定电压，ω为系统工作角频率，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M，/>为发射线圈L_p1的电感值，/>为发射线圈L_p2的电感值，M_pp为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2之间的互感值，j为虚数符号。

所述控制方法中，切换开关Q₁闭合、切换开关Q₂断开时，供电电路I和供电电路II同时向接收侧供电，通过控制高频逆变器H₂输出电压脉冲宽度，可实现接收侧恒压输出，同时调节高频逆变器H₁和高频逆变器H₂的功率分配。切换开关Q₁断开，切换开关Q₂闭合时，仅由供电电路II向接收侧供电，接收侧为恒流输出；切换开关Q₁闭合，切换开关Q₂闭合时，仅由供电电路I向接收侧供电，接收侧为恒压输出。

本发明双端供电无线电能传输系统理论分析和电路原理如下：

当切换开关Q₁闭合、切换开关Q₂断开时，系统为双端供电，根据系统双端供电时的等效电路，基于基尔霍夫定律可得系统各电气量之间的关系为：

式(4)中，为高频逆变器H₁输出电压基波分量，/>为高频逆变器H₂输出电压基波分量，ω为系统工作角频率；j为虚数符号；/>为补偿电容C₁的容值；/>为补偿电感L₁的感值；/>为发射线圈L_p1的电感值；/>为发射线圈L_p2的电感值；M_pp为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2间的互感；M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M；/>为接收线圈L_s的电感值；/>为接收侧补偿电容C_s的容值；/>为高频逆变器H₁输出电流，为补偿电容C₁流过电流，/>为发射线圈L_p1、L_p2的电流以及逆变器H₂的输出电流，/>为接收线圈电流，R_e为负载等效交流电阻值，/>分别为补偿电容C_p1、C_p1的容值。

根据电路基本知识，高频逆变器H₁输出电压基波分量与直流电源输出电压/>和逆变器输出电压脉冲宽度的关系式由式(5)确定：

式(5)中，为直流电源E₁的输出电压，θ₁为逆变器H₁输出电压的脉宽弧度。

根据电路基本知识，高频逆变器H₂输出电压基波分量与直流电源输出电压/>的关系式为：

式(6)中，为直流电源E₂的输出电压。θ₂为逆变器H₂输出电压的脉宽弧度。

为使系统保持谐振状态，系统各电气量需要满足一下条件：

式(7)中，j为虚数符号，ω为系统工作角频率，为补偿电容C₁的容值，/>为补偿电感L₁的感值，/>为接收线圈L_s的电感值，/>为接收侧补偿电容C_s的容值，/>为发射线圈L_p1的电感值，/>为发射线圈L_p2的电感值，M_pp为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2间的互感，/>分别为补偿电容C_p1、C_p1的容值。

由式(1)～式(7)可得，发射线圈L_p1与发射线圈L_p2为串联连接以及高频逆变器H₂串联连接，因此，两个发射线圈的电流以及高频逆变器H₂输出电流相等，均为其表达式为：

式(8)中，为直流电源E₁输出电压值，π为圆周率，ω为系统工作角频率，j为虚数符号，/>为补偿电感L₁的感值，θ₁为高频逆变器H₁输出电压的脉宽弧度。

由式(1)和式(7)可得，高频逆变器H₁的输出电流表达式为：

式(9)中，j为虚数符号，ω为系统工作角频率，为补偿电感L₁的电感值，/>为高频逆变器H₁输出电压基波分量，/>为高频逆变器H₂输出电压基波分量，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M，R_e为接收侧交流等效电阻。

接收侧交流等效电阻R_e与负载电阻R_L的关系表达式为：

接收线圈L_s的感应电压的表达式为：

式(11)中，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M，ω为系统工作角频率，j为虚数符号，为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2的电流。

接收线圈L_s的感应电压与系统直流电压V_L的关系式为：/>

式(12)中，V_L为设定的接收侧输出直流电压。

根据式(4)、式(11)和式(12)可得，供电电路I中的补偿电容C₁的容值由式(13)确定：

式(13)中，为直流电源E₁的输出电压值，ω为系统工作角频率，V_L为设定的输出直流电压，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M。

根据式(4)和式(7)可得，供电电路I的补偿电感L₁的电感值由式(14)确定：

式(14)中，为直流电源E₁的输出电压值，V_L为设定的输出直流电压，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M。

为使系统保持谐振状态，发射线圈L_p1、发射线圈L_p2、发射线圈L_p1、L_p2间的互感值M_pp、补偿电容C_p1、C_p2，补偿电容C₁需要保持完全谐振状态，存在以下关系式：

式(15)中，j为虚数符号，ω为系统工作角频率，为发射线圈L_p1的感值，/>为发射线圈L_p2的感值，/>为补偿电容C_p1的容值，/>为补偿电容C_p2的容值，M_pp为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2间的互感值，/>为补偿电容C_p1的容值。

由于发射线圈L_p1的与发射线圈L_p2的串联，且参数和绕制方法一致，因此，与/>相等，补偿电容C_p1的容值/>和补偿电容C_p2的容值/>相等，根据式(15)可得/>的表达式为：

式(16)中，ω为系统工作角频率，为发射线圈L_p1的电感值，/>为发射线圈L_p2的电感值，M_pp为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2间的互感值，/>为电感L₁的电感值。

所述一种基于非对称结构的双端供电无线电能传输系统的控制方法，理论分析和电路原理如下：

当切换开关Q₁闭合、Q₂断开时，双端逆变器同时供电，即高频逆变器H₁和高频逆变器H₂同时向负载供电，根据公式(5)(6)(8)(9)可得，高频逆变器H₁输出电流和高频逆变器H₂输出电流分别为：

根据式(17)可以看出，高频逆变器H₁输出电流受高频逆变器H₁、高频逆变器H₂以及负载的影响。在同等负载情况下，通过控制高频逆变器H₂的输出电压，即可调节高频逆变器H₁和高频逆变器H₂的输出功率。

当切换Q₁断开、切换Q₂闭合时，仅由供电电路II单独向接收侧供电，根据供电电路II单独供电时的等效电路，基于基尔霍夫定律可得系统各电气量之间的关系为：

根据式(7)、(17)可得接收线圈的电流的表达式为

根据式(18)可得，切换Q₁断开、切换Q₂闭合时，高频逆变器H₂独立供电，当高频逆变器H₂输出电压脉冲宽度θ₂不变时，接收侧为恒流输出。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

一、双端供电无线电能传输系统其供电电路分别布置于发射线圈的两端，无线电能传输系统输出功率由发射线圈两端的供电电路提供，能够减小单个供电电路功率容量，降低系统成本。

二、当切换开关Q₁闭合、Q₂断开时，系统能够实现双端供电，通过调节高频逆变器H₂输出电压脉冲宽度，可以调节双端供电的高频逆变器的功率分配。切换开关Q₁断开时，Q₂断开时，系统由高频逆变器H₂独立供电，接收侧为恒流输出。切换开关Q₁闭合时，Q₂闭合时，系统由高频逆变器H₁独立供电，接收侧为恒压输出。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明；

图1为本发明一种基于非对称结构的双端供电无线电能传输系统电路结构示意图。

图2为切换开关Q₁闭合、Q₂断开时，系统双端供电时的等效电路图。

图3为供电电路II发生故障时，切换开关Q1闭合、Q₂闭合时，系统由供电电路I独立供电时的结构示意图。

图4为供电电路II发生故障时，切换开关Q1闭合、Q₂闭合时，系统由供电电路I独立供电时的等效电路图。

图5为供电电路I发生故障时，切换开关Q1断开、Q₂断开时，系统由供电电路II独立供电时的结构示意图。

图6为供电电路I发生故障时，切换开关Q1断开、Q₂断开时，系统由供电电路II独立供电时的等效电路图。

图7为双端供电时，高频逆变器H₁输出电压电流以及高频逆变器H₂输出电压电流的相位关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种基于非对称结构的双端供电无线电能传输系统包括接收部分和发射部分。所述接收部分包括依次连接的接收线圈L_s、接收侧补偿电容C_s、整流滤波电路D和负载R_L；所述发射部分中：直流电源E₁、高频逆变器H₁、补偿电感L₁、切换开关Q₁和补偿电容C₁依次连接组成供电电路I；直流电源E₂、高频逆变器H₂依次连接组成供电电路II，切换开关Q₂与高频逆变器H₂输出端并联；供电电路I、发射线圈P、补偿电容C_p1、补偿电容C_p2以及供电电路II依次串联连接，直流电源E₁和直流电源E₂为独立电源。所述的发射线圈P包括发射线圈L_p1和发射线圈L_p2，两个发射线圈并联绕制；发射线圈L_p1的一端与供电电路I中补偿电容C₁和补偿电感L₁的公共点相连接，发射线圈L_p1的另一端与补偿电容C_p1串联后与供电电路II中高频逆变器H₂的一端相连接；发射线圈L_p2的一端与供电电路I中高频逆变器H₁和补偿电容C₁的公共点相连接，发射线圈L_p2的另一端与补偿电容C_p2串联后与供电电路II中高频逆变器H₂的另一端相连接。切换开关Q₁的控制端与控制器K₁相连接，切换开关Q₂的控制端与控制器K₂相连接。当切换开关Q₁闭合，切换开关Q₂断开时，供电电路I和供电电路II同时供电，通过控制高频逆变器H₂输出电压可实现接收侧恒压输出，同时可以调节高频逆变器H₁和H₂的功率分配，高频逆变器H₁和高频逆变器H₂工作频率相等且输出电压相位相差90度。切换开关Q₁断开，切换开关Q₂闭合时，系统仅由供电电路II进行供电，接收侧为恒流输出；切换开关Q₁闭合，切换开关Q₂闭合时，系统仅由供电电路I进行供电，接收侧为恒压输出。图1中，R_L为系统输出直流负载电阻，D为整流滤波器、C_s为接收侧补偿电容、L_s为接收线圈电感，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M。

图2为切换开关Q1闭合、Q₂断开时，系统双端供电时的等效电路图。图2中，C₁为供电电路I的补偿电容，L₁为供电电路I的补偿电感，L_s为接收线圈，C_p1和C_p2分别为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2补偿电容，C_s为接收侧补偿电容，R_e为系统交流等效负载。为高频逆变器H₁的输出电压的基波分量，/>为高频逆变器H₁输出电流，/>为补偿电容C₁的电流，/>为发射线圈L_p1及发射线圈L_p2的电流，/>为高频逆变器H₂的输出电压的基波分量，/>为接收线圈电流，为接收线侧感应电压。

图3为供电电路II发生故障时，切换开关Q₁闭合、Q₂闭合，供电电路I独立供电时系统电路结构示意图。图3中，E₁为直流电源，C₁为供电电路I的补偿电容，L₁为供电电路I的补偿电感，L_p1为发射线圈，L_p2为发射线圈，发射线圈L_p1和发射线圈L_p2并联绕制,C_p1和C_p2分别为发射线圈L_p1和L_p2补偿电容。L_s为接收线圈，C_s为接收侧补偿电容，R_L为系统输出直流负载电阻。

图4为供电电路II发生故障时，切换开关Q₁闭合、Q₂闭合，供电电路I独立供电时系统等效电路图。图4中，为高频逆变器H₁输出电压的基波分量，C₁为供电电路I的补偿电容，L₁为供电电路I的补偿电感，L_p1为发射线圈，L_p2为发射线圈，发射线圈L_p1和发射线圈L_p2并联绕制，C_p1和C_p2分别为发射线圈L_p1和L_p2补偿电容。L_s为接收线圈，C_s为接收侧补偿电容，R_e为系统交流等效负载，/>为高频逆变器H₁输出电流，/>为补偿电容C₁的电流，/>为发射线圈L_p1的电流，/>为接收线圈电流。

图5为供电电路I发生故障时，切换开关Q₁断开、Q₂闭合，供电电路I独立供电时系统电路结构示意图。图5中，E₂为直流电源，C₁为供电电路I的补偿电容，L_p1为发射线圈，L_p2为发射线圈，发射线圈L_p1和发射线圈L_p2并联绕制,C_p1和C_p2分别为发射线圈L_p1和L_p2补偿电容。L_s为接收线圈，C_s为接收侧补偿电容，系统输出直流负载电阻。

图6为供电电路II发生故障时，切换开关Q₁断开、Q₂闭合，供电电路I独立供电时系统等效电路图。图6中，为高频逆变器H₂输出电压的基波分量，C₁为供电电路I的补偿电容，L_p1为发射线圈，L_p2为发射线圈，发射线圈L_p1和发射线圈L_p2并联绕制，C_p1和C_p2分别为发射线圈L_p1和L_p2补偿电容。L_s为接收线圈，C_s为接收侧补偿电容，R_e为系统交流等效负载，/>为高频逆变器H₁输出电流，/>为补偿电容C₁的电流，/>为发射线圈L_p1的电流，/>为接收线圈电流。

图7为切换开关Q₁闭合、Q₂断开时，系统进行双端供电时，高频逆变器H₁输出电压电流以及高频逆变器H₂输出电压电流相位关系图。v_p1和v_p2分别为高频逆变器H₁和H₂输出电压，i_p1和i_p2分别为高频逆变器H₁和H₂输出电流。

本实施例中：

所述切换开关Q₁闭合、切换开关Q₂断开时，高频逆变器H₁和高频逆变器H₂同时供电，两套高频逆变器工作频率相等且输出电压相位相差90度，系统双端逆变器同时供电。所述补偿电感L₁的电感值由下式确定：

所述补偿电容C₁的容值由下式确定：

所述补偿电容C_p1的容值和补偿电容C_p2的容值/>由下式确定：

所述接收侧补偿电容C_s的容值由下式确定：/>

上4式中，直流电源E₁的输出电压值，V_L为接收侧直流输出设定电压，ω为系统工作角频率，M为接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值以及接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值，接收线圈L_s与发射线圈L_p1的互感值、接收线圈L_s与发射线圈L_p2间的互感值相等，均为M，为发射线圈L_p1的电感值，/>为发射线圈L_p2的电感值，/>为发射线圈L_s的电感值，M_pp为发射线圈L_p1和发射线圈L_p2之间的互感。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。