CN105141046A - Sp型icpt系统负载与互感识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其步骤包括：构建SP型ICPT系统的等效电路、确定元器件参数并获取原边线圈L_p的谐振电流I_p的有效值和谐振频率ω、根据公式构建方程组求解等效负载R和互感M，最后计算负载R_L，其中元件参数包括E_dc、L_p、R_p、C_p、L_s、R_s以及C_s，该方法基于反射阻抗分析及能量传递方程推导，建立了互感与负载参数识别模型，通过检测稳态运行时原边线圈电流频率及其有效值实现对系统负载以及互感的识别，无需添加额外的附加电路，计算过程简便，得到的数据误差小，精度高，可靠性高。

Description

SP型ICPT系统负载与互感识别方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输系统领域，具体的说是一种SP型ICPT系统负载与互感识别方法。

背景技术

目前，感应耦合电能传输(InductivelyCoupledPowerTransfer，ICPT)技术已成为无线电能传输的主流技术之一，已广泛应用于电动车充电、电子产品充电、生物医电以及照明系统等诸多领域。

在ICPT系统中，由于耦合线圈之间互感值以及负载值的变化，副边电路的反射阻抗会在原边电路有着相应的变化，使得原边电路的谐振频率发生漂移，不再与固有工作频率匹配，从而影响系统的效率和功率传输能力，例如电动汽车，其存在不同的阻抗特性，并且由于其不同的底盘高度、位置而存在不同的互感，电动汽车的切换将影响其充电系统的稳定性及高效性，所以系统需根据当前情况调整能量发射端的控制模式，然而，系统的高阶非线性使得负载与互感的识别问题成为一个技术瓶颈，系统控制难度大，计算过程复杂，可靠性较差。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种SP型ICPT系统负载与互感识别方法，根据构建SP型ICPT系统的等效电路，确定等效电路的相关参数，并结合计算公式即可以计算出系统负载和线圈互感，方法简单，计算过程简便，可靠性高。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种SP型ICPT系统负载与互感识别方法，按照以下步骤进行：

步骤1：构建SP型ICPT系统的等效电路，其中原边电路包括原边电容C_p和原边线圈L_p构成的串联谐振回路，副边电路包括副边电容C_s和副边线圈L_s构成的并联谐振电路，原边电路的电源为电压源E_dc经过高频逆变电路后输出的方波电压U_p，原边线圈L_p的串联等效电阻为R_p，副边线圈L_s的串联等效电阻为R_s，副边电路中的等效负载为R；

步骤2：确定元器件参数并获取原边线圈L_p的谐振电流I_p的有效值和谐振频率ω，所述元器件参数包括方波电压U_p的有效值、原边线圈L_p的电感值及其串联等效电阻R_p的阻值、原边电容C_p的电容值、副边线圈L_s的电感值及其串联等效电阻R_s的阻值、副边电容C_s的电容值；

步骤3：根据以下公式构建方程组求解等效负载R和互感M；

ω²M²＝|Z_r||Z_s|；

${\mathrm{\ω}}^2{M}^2=\frac{R^2(a^2+c^2{R_s}^2)+2R_{s}R+({R_s}^2+b^2)}{({\mathrm{aC}}_s{R}^2-L_s)}\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p\right);$

其中：|Z_r|为副边电路在原边电路上的反射阻抗Z_r的模，|Z_s|为副边并联谐振电路阻抗Z_s的模，且：

Z_r＝R_r+jωL_r； $R_r=\frac{U_p}{I_p}-R_P,L_r=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p;$

$Z_s=\frac{R_s(c^2{R}^2+1)+R}{c^2{R}^2+1}+j\·\frac{b-{\mathrm{acR}}^2}{c^2{R}^2+1};$

a＝1-ω²L_sC_s，b＝ωL_s，c＝ωC_s；

步骤4：根据SP型ICPT系统等效电路中等效负载R与负载R_L的关系计算负载R_L。

进一步描述，在原边电路设置有直流输入模块和高频逆变电路，直流输入模块输出的电压源为E_dc，高频逆变电路采用四个开关管构成，当高频逆变电路中的开关管处于软开关工作条件下，经过高频逆变电路后输出的方波电压 $U_p=4E_{dc}/\sqrt{2}\mathrm{\π}.$

再进一步描述，所述直流输入模块包括整流滤波电路和DC/DC变换电路，所述整流滤波电路的输入端连接工频交流电源，经过整流和DC/DC变换后得到所述电压源E_dc。

再进一步描述，在副边电路中设置有整流电路，该整流电路由四个二极管构成，在整流电路输出端与负载R_L之间还并联有滤波电感L，则等效负载R与负载R_L之间的关系为R＝(π²/8)R_L≈1.23R_L。

再进一步描述，在高频逆变电路与原边串联谐振回路之间连接有电流检测单元，该电流检测单元经过谐振电流有效值检测模块后输出原边线圈L_p的谐振电流I_p，该电流检测单元经过谐振电流频率检测模块后输出谐振电流I_p的谐振频率ω。

再进一步描述，在所述电流检测单元的输出端还连接有谐振电流过零检测模块，该谐振电流过零检测模块输出的过零信号送入频率调节模块中，用于实现高频逆变器的频率调节。

本发明的有益效果：系统电路模型简单，无需添加额外的附加电路，实现过程简便，只需要检测稳定工作时的原边线圈电流频率及其有效值，就可计算出负载和线圈互感，得到的数据误差小，精度高，可靠性高。

附图说明

图1是SP型ICPT系统主电路拓扑图；

图2是图1的等效电路图；

图3是本发明的原边电路等效电路图；

图4是本发明的电路原理框图；

图5是负载与互感识别控制电路的结构图；

图6是负载变化情况下的识别效果图；

图7是互感变化情况下的识别效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

一种SP型ICPT系统负载与互感识别方法，按照以下步骤进行：

步骤1：结合图1所示的SP型ICPT系统，构建SP型ICPT系统的等效电路，如图2所示，其中原边电路包括原边电容C_p和原边线圈L_p构成的串联谐振回路，副边电路包括副边电容C_s和副边线圈L_s构成的并联谐振电路，原边电路的电源为电压源E_dc经过高频逆变电路后输出的方波电压U_p，原边线圈L_p的串联等效电阻为R_p，副边线圈L_s的串联等效电阻为R_s，副边电路中的等效负载为R；

从图1可以看出，在原边电路还设置有直流输入模块和高频逆变电路，直流输入模块输出的电压源为E_dc，高频逆变电路采用四个开关管构成，在副边电路中还设置有整流电路，该整流电路由四个二极管构成，在整流电路输出端与负载R_L之间还串联有滤波电感L。

步骤2：确定元器件参数并获取原边线圈L_p的谐振电流I_p的有效值和谐振频率ω，元器件参数包括方波电压U_p的有效值、原边线圈L_p的电感值及其串联等效电阻R_p的阻值、原边电容C_p的电容值、副边线圈L_s的电感值及其串联等效电阻R_s的阻值、副边电容C_s的电容值；

步骤3：根据公式 ${\mathrm{\ω}}^2{M}^2=\frac{R^2(a^2+c^2{R_s}^2)+2R_{s}R+({R_s}^2+b^2)}{({\mathrm{aC}}_s{R}^2-L_s)}\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p\right)$ 和公式ω²M²＝|Z_r||Z_s|构建方程组求解等效负载R和互感M；

其中：|Z_r|为副边电路在原边电路上的反射阻抗Z_r的模，|Z_s|为副边并联谐振电路阻抗Z_s的模，且：

Z_r＝R_r+jωL_r； $R_r=\frac{U_p}{I_p}-R_P,L_r=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p;$

$Z_s=\frac{R_s(c^2{R}^2+1)+R}{c^2{R}^2+1}+j\·\frac{b-{\mathrm{acR}}^2}{c^2{R}^2+1};$

a＝1-ω²L_sC_s，b＝ωL_s，c＝ωC_s；

步骤4：根据SP型ICPT系统等效电路中等效负载R与负载R_L的关系计算负载R_L。

直流输入模块包括整流滤波电路和DC/DC变换电路，整流滤波电路的输入端连接工频交流电源，经过整流和DC/DC变换后得到电压源E_dc。

下面我们对本发明的工作原理进行说明：

在ICPT系统中，由于原边线圈和副边线圈之间的耦合，原边电路上存在反射阻抗Z_r。

如图3所示的原边电路等效图，副边电路在原边电路产生了一定的反射阻抗Z_r，包括有功部分R_r和无功部分ωL_r，由于副边电路为并联补偿，因此求得反射阻抗Z_r的虚部表达式为：

$\mathrm{Im}\left(Z_r\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}^3{M}^2({\mathrm{aC}}_s{R}^2-L_s)}{R^2(a^2+c^2{R_s}^2)+2R_{s}R+({R_s}^2+b^2)}---\left(1\right)$

其中a＝1-ω²L_sC_s，b＝ωL_s，c＝ωC_s；

因此反射阻抗Z_r的表达式为：

Z_r＝Re(Z_r)+Im(Z_r)＝R_r+jωL_r(2)

此外当高频逆变电路中的开关管处于软开关工作条件下，经过高频逆变电路后输出的方波电压：

$U_p=4E_{dc}/\sqrt{2}\mathrm{\π}---\left(3\right)$

当系统运行时，考虑到系统原边电路工作在谐振条件下，无功能量在电场能量以及磁场能量中不断转换，并不产生能量耗散。并且，当原边电感储存最大能量时，原边电容中无储能，反之亦然。因此，原边电感与原边电容中存储的最大能量相等，从而得到：

$({\mathrm{\ωL}}_r+{\mathrm{\ωL}}_p){I_p}^2=\frac{{U_c}^2}{1/{\mathrm{\ωC}}_p}$

即： $L_r=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p---\left(4\right)$

其中U_c为原边电容C_p两端电压的有效值；

系统在软开关工作条件下，原边电路电压及电流无相位差，原边电路可视为纯阻性，因此反射阻抗实部Rr以及原边线圈串联等效电阻Rs耗散功率即为系统输入功率：

(R_r+R_P)I_p ²＝U_pI_p

即： $R_r=\frac{U_p}{I_p}-R_P---\left(5\right)$

从能量的角度构建系统负载与互感参数识别模型，根据系统原边电路中，由反射阻抗Z_r耗散的功率P表达式P＝I_p ²|Z_r|推导出反射阻抗Z_r在一个周期T内消耗的能量：

$W_r={\∫}_{t_0}^{t_0+T}Pdt={\∫}_{t_0}^{t_0+T}\left|Z_r\right|{I_p}^{2}dt={I_p}^2\left|Z_r\right|T---\left(6\right)$

同样地，根据副边谐振电路阻抗Z_s的表达式：

$Z_s=\frac{R_s(c^2{R}^2+1)+R}{c^2{R}^2+1}+j\·\frac{b-{\mathrm{acR}}^2}{c^2{R}^2+1}$

最终推导出副边并联谐振电路阻抗Z_s在一个周期T内消耗的能量：

$W_s={\∫}_{t_0}^{t_0+T}{\left(\frac{{\mathrm{\ωMi}}_p\left(t\right)}{\left|Z_s\right|}\right)}^2\left|Z_s\right|dt=\frac{{\left({\mathrm{\ωMI}}_p\right)}^2}{\left|Z_s\right|}T---\left(7\right)$

系统稳定运行时，原边电路反射阻抗Z_r耗散的能量等于副边电路阻抗Z_s耗散的能量，即

W_r＝W_s(8)

根据公式(6)、(7)、(8)得到：

ω²M²＝|Z_s|·|Z_r|(9)

由公式(1)、(4)可得：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}^2{M}^2=\frac{R^2\left(a^2+c^2{R_s}^2\right)+2R_{s}R+\left({R_s}^2+b^2\right)}{{\mathrm{aC}}_s{R}^2-L_s}\·L_r\\ =\frac{R^2\left(a^2+c^2{R_s}^2\right)+2R_{s}R+\left({R_s}^2+b^2\right)}{{\mathrm{aC}}_s{R}^2-L_s}\·\left(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p\right)\end{array}---\left(10\right)$

对于一般系统，电压源E_dc、原边线圈L_p及其串联等效电阻R_p、原边电容C_p、副边线圈L_s及其串联等效电阻R_s以及副边电容C_s均为已知参数，其中方波电压U_p的有效值根据公式(3)求出，所以仅需检测原边线圈L_p的谐振电流I_p的有效值和谐振频率ω，并通过公式(9)、(10)构建方程组即可求解出等效负载R和互感M的值。

最后由于整流电路输出端与负载R_L之间还还串联有滤波电感L，则等效负载R与负载R_L之间的关系为R＝(π²/8)R_L≈1.23R_L，从而求得负载R_L的值。

为了验证本发明提出的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，基于Matlab/Simulink仿真平台建立系统仿真模型，其中原、副边谐振回路的主要参数由表1所示：

表1ICPT系统仿真参数

参数	值
		电压源Edc	5V
原边线圈Lp	152.0μH
		原边电容Cp	67.0nF
原边线圈Lp的串联等效电阻Rp	0.49Ω
		副边线圈Ls	153.2μH
副边电容Cs	68.0nF
		副边线圈Ls的串联等效电阻Rs	0.50Ω

如图4所示：在高频逆变电路与原边串联谐振回路之间连接有电流检测单元，从如图5可以看出，该电流检测单元经过谐振电流有效值检测模块后输出原边线圈L_p的谐振电流I_p，该电流检测单元经过谐振电流频率检测模块后输出谐振电流I_p的谐振频率ω，在电流检测单元的输出端还连接有谐振电流过零检测模块，该谐振电流过零检测模块输出的过零信号送入频率调节模块中，用于实现高频逆变器的频率调节。

根据本发明给出的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，分别在负载固定而互感值变化以及互感值固定而负载变化的情况下进行了5组仿真验证。

表2给出了当互感值固定为30μH的情况下，负载阻值从10Ω变化至50Ω的系统负载与互感的识别结果。

表2负载R_L变化情况下的系统负载和互感识别结果

RL/Ω	RL识别结果/Ω	M识别结果/μH
			10	10.49	29.40
20	20.54	29.59
			30	30.68	29.72
40	40.94	29.68
			50	51.11	29.72

从表2可以看出负载R_L识别结果最大误差率为4.68％，互感M识别结果最大误差率为2.01％；

表3给出了当负载电阻值固定为30Ω的情况下，互感值由20μH变换至60μH的系统负载与互感的识别结果。

表3互感M变化情况下的系统负载和互感识别结果

M/μH	RL识别结果/Ω	M识别结果/μH
			20	31.52	19.62
30	30.68	29.72
			40	30.49	39.61
50	30.57	49.49
			60	30.54	59.42

从表3可以看出，负载固定为30Ω的情况下得到的负载R_L识别结果最大误差率为4.84％，互感M识别结果最大误差率为1.92％。

为了直观地表明负载与互感识别精度，图6和图7分别给出了固定互感而负载变化以及固定负载而互感变化情况下的识别精度分布图。

通过仿真验证可以发现，本发明提出的SP型ICPT系统负载与互感识别方法可以完成系统负载以及互感的识别，当系统运行稳定时，精度较高，可靠性高。

Claims (6)

1.一种SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：构建SP型ICPT系统的等效电路，其中原边电路包括原边电容C_p和原边线圈L_p构成的串联谐振回路，副边电路包括副边电容C_s和副边线圈L_s构成的并联谐振电路，原边电路的电源为电压源E_dc经过高频逆变电路后输出的方波电压U_p，原边线圈L_p的串联等效电阻为R_p，副边线圈L_s的串联等效电阻为R_s，副边电路中的等效负载为R；

步骤2：确定元器件参数并获取原边线圈L_p的谐振电流I_p的有效值和谐振频率ω，所述元器件参数包括方波电压U_p的有效值、原边线圈L_p的电感值及其串联等效电阻R_p的阻值、原边电容C_p的电容值、副边线圈L_s的电感值及其串联等效电阻R_s的阻值、副边电容C_s的电容值；

步骤3：根据以下公式构建方程组求解等效负载R和互感M；

ω²M²＝|Z_r||Z_s|；

${\mathrm{\ω}}^2{M}^2=\frac{R^2(a^2+c^2{R_s}^2)+2R_{s}R+({R_s}^2+b^2)}{({\mathrm{aC}}_s{R}^2-L_s)}(\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p);$

其中：|Z_r|为副边电路在原边电路上的反射阻抗Z_r的模，|Z_s|为副边并联谐振电路阻抗Z_s的模，且：

Z_r＝R_r+jωL_r； $R_r=\frac{U_p}{I_p}-R_P,$ $L_r=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_p}-L_p;$

$Z_s=\frac{R_s(c^2{R}^2+1)+R}{c^2{R}^2+1}+j\·\frac{b-{\mathrm{acR}}^2}{c^2{R}^2+1};$

a＝1-ω²L_sC_s，b＝ωL_s，c＝ωC_s；

步骤4：根据SP型ICPT系统等效电路中等效负载R与负载R_L的关系计算负载R_L。

2.根据权利要求1所述的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其特征在于，在原边电路设置有直流输入模块和高频逆变电路，直流输入模块输出的电压源为E_dc，高频逆变电路采用四个开关管构成，当高频逆变电路中的开关管处于软开关工作条件下，经过高频逆变电路后输出的方波电压

3.根据权利要求2所述的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其特征在于，所述直流输入模块包括整流滤波电路和DC/DC变换电路，所述整流滤波电路的输入端连接工频交流电源，经过整流和DC/DC变换后得到所述电压源E_dc。

4.根据权利要求1所述的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其特征在于，在副边电路中设置有整流电路，该整流电路由四个二极管构成，在整流电路输出端与负载R_L之间还串联有滤波电感L，则等效负载R与负载R_L之间的关系为R＝(π²/8)R_L≈1.23R_L。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其特征在于，在高频逆变电路与原边串联谐振回路之间连接有电流检测单元，该电流检测单元经过谐振电流有效值检测模块后输出原边线圈L_p的谐振电流I_p，该电流检测单元经过谐振电流频率检测模块后输出谐振电流I_p的谐振频率ω。

6.根据权利要求5所述的SP型ICPT系统负载与互感识别方法，其特征在于，在所述电流检测单元的输出端还连接有谐振电流过零检测模块，该谐振电流过零检测模块输出的过零信号送入频率调节模块中，用于实现高频逆变器的频率调节。