01 无线传输系统最大能量效率跟踪


Paper Link: Maximum Energy Efficiency Tracking for Wireless Power Transfer Systems

In the section II:Theoretical Analysis:

1. 最大传输效率负载条件

Theoratical Analysis of condition for maximum energy efficiency:

▲ Circuit Model of Two Coils of WPT


Energy Efficiency(η\etaη):

The ratio of I1/I2I_1 /I_2I1​/I2​can be obtained from (2):

I1I2=−RP2+RL+jX2jωM12{{I_1 } \over {I_2 }} = - {{R_{P2} + R_L + jX_2 } \over {j\omega M_{12} }}I2​I1​​=−jωM12​RP2​+RL​+jX2​​

(I1I2)2=−(RP2+RL)2+X22(ωM12)2\left( {{{I_1 } \over {I_2 }}} \right)^2 = - {{\left( {R_{P2} + R_L } \right)^2 + X_2^2 } \over {\left( {\omega M_{12} } \right)^2 }}(I2​I1​​)2=−(ωM12​)2(RP2​+RL​)2+X22​​

η=ω2M122RL[(RP2+RL)2+X22]RP1+ω2M122(RP2+RL)\eta = {{\omega ^2 M_{12}^2 R_L } \over {\left[ {\left( {R_{P2} + R_L } \right)^2 + X_2^2 } \right]R_{P1} + \omega ^2 M_{12}^2 \left( {R_{P2} + R_L } \right)}}η=[(RP2​+RL​)2+X22​]RP1​+ω2M122​(RP2​+RL​)ω2M122​RL​​

by solving the differentiaing η\etaηto X2 and RL can obtain the MEE load condition:X2_OPT_η=0X_{2\_OPT\_\eta } = 0X2_OPT_η​=0

RL_OPT_η=RP21+ω2M122RP1RP2R_{L\_OPT\_\eta } = R_{P2} \sqrt {1 + {{\omega ^2 M_{12}^2 } \over {R_{P1} R_{P2} }}}RL_OPT_η​=RP2​1+RP1​RP2​ω2M122​​​

如果,RP1,RP2R_{P1} ,R_{P2}RP1​,RP2​相比ωM,\omega M,ωM,很小,则根据 - [ ] Applying LCC Compensation Network to Dynamic Wireless EV Charging System 附件推导,其中公式(A6)将RL_OPT_ηR_{L\_OPT\_\eta }RL_OPT_η​定义为:

RL_OPT_η≈ωM⋅RP2RP1≈ωMR_{L\_OPT\_\eta } \approx \omega M \cdot \sqrt {{{R_{P2} } \over {R_{P1} }}} \approx \omega MRL_OPT_η​≈ωM⋅RP1​RP2​​​≈ωM

上面公式中,假设发送和接收线圈具有相同的RP1,RP2R_{P1} ,R_{P2}RP1​,RP2​。

2.最大传输功率负载条件

Optimal Load Condition for Maixmum power Operations.

PO=I22RL=ω2M122Vin2RL(ω2M122+RP1RP2+RP1RL−X1X2)2+(RP1X2+RP2X2+RLX1)2P_O = I_2^2 R_L = {{\omega ^2 M_{12}^2 V_{in}^2 R_L } \over {\left( {\omega ^2 M_{12}^2 + R_{P1} R_{P2} + R_{P1} R_L - X_1 X_2 } \right)^2 + \left( {R_{P1} X_2 + R_{P2} X_2 + R_L X_1 } \right)^2 }}PO​=I22​RL​=(ω2M122​+RP1​RP2​+RP1​RL​−X1​X2​)2+(RP1​X2​+RP2​X2​+RL​X1​)2ω2M122​Vin2​RL​​

As :X1_OPT_Po=0;X2_OPT_Po=0X_{1\_OPT\_Po} = 0;\,\,\,\,X_{2\_OPT\_Po} = 0X1_OPT_Po​=0;X2_OPT_Po​=0

By solving: ∂Po∂RL=0{{\partial P_o } \over {\partial R_L }} = 0∂RL​∂Po​​=0, obtain the optimum load for MPO:

RL_OPT_Po=RP2(1+ω2M122RP1RP2)R_{L\_OPT\_Po} = R_{P2} \left( {1 + {{\omega ^2 M_{12}^2 } \over {R_{P1} R_{P2} }}} \right)RL_OPT_Po​=RP2​(1+RP1​RP2​ω2M122​​)

对比最大效率和最大功率条件,可以看到:
RL_OPT_η<RL_OPT_PoR_{L\_OPT\_\eta } < R_{L\_OPT\_Po}RL_OPT_η​<RL_OPT_Po​

3.最大效率跟踪算法

下图给出了最大功率跟踪控制框图:

▲ Schematic of a two-winding WPT system with ac-dc and dc-dc converters

(1)阻抗变换

全桥整流负载阻抗变化:
RL_OPT_η=8π2RL_eqR_{L\_OPT\_\eta } = {8 \over {\pi ^2 }}R_{L\_eq}RL_OPT_η​=π28​RL_eq​

全桥整流之后的阻抗变化系数8/π28/\pi ^28/π2在下面的博文通过理论和实测进行验证。(不过最终还是没有能够推导出8/π28/\pi ^28/π2系数):

  • 全桥整流等效负载阻抗是多少?
  • 整流电路对应的阻抗是多少?

DC-DC阻抗变换:如果输入电压与输出电压的比值:γ=Vin/Vout\gamma = V_{in} /V_{out}γ=Vin​/Vout​,那么DC-DC变换之后的电阻:
RL_eq=γ2RLR_{L\_eq} = \gamma ^2 R_LRL_eq​=γ2RL​

(2)最优阻抗搜索算法

Details refer to the origin Paper.

▲ 最优负载搜索算法

4.实验结果

(1)Paameters of WPT

▲ Parameters of WPT system with weak coupling

▲ Couple Coils and misalignment woth couple coefficient:0.1

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