CN106100148A - 一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法，S侧和P侧的电路拓扑结构相同，均包括电源、谐振腔以及控制电路，控制电路用于控制投切开关改变谐振腔的结构为LCL型拓扑或LC型拓扑，P侧和S侧的谐振腔的谐振频率相同。在启动系统时，控制P侧电源输出电压U_p的相位超前或滞后于S侧电源输出电压U_s的相位90°，并根据所需的电能传输方向，控制S侧和P侧的谐振腔均为LCL型拓扑或均为LC型拓扑。当需要改变两侧的无线电能传输部的电能传输方向时，通过控制电路同时改变S侧和P侧的谐振腔的拓扑结构。本方法实现了只需通过开关投切改变双向无线电能传输系统中两侧的谐振腔拓扑结构，即可控制电能的流向。

Description

一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制 方法

技术领域

本发明涉及一种双向无线电能传输系统能量流动方向控制的方法，适用于需要实现能量双向互动的无线电能传输领域，如电动汽车与电网无线互动(无线V2G)，电动汽车与家用电源无线互动(无线V2H)等应用场合。

背景技术

在双向无线电能传输领域，如何实现能量自由的双向流动一直是研究的热点问题之一。目前，为了实现能量的双向互动，通常采用控制两侧逆变器出口电压相位差的方法控制能量流动方向；或者直接设计两套单向的无线电能传输电路来实现。如采用前者的方向控制方法，需要两侧的逆变器协同工作，在工作过程中始终保持通信畅通状态才能较快响应系统关于能量传输方向改变的要求，这样对系统的数字控制要求较高；如采用后者，不仅带来了系统成本的增加，而且系统的体积笨重，在某些场合下，失去了应用的可能。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法。

技术方案：一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法，所述基于变结构的双向无线电能传输系统中，将两侧的无线电能传输部分分别称为S侧和P侧；S侧和P侧的电路拓扑结构相同，均包括电源、谐振腔以及控制电路，所述控制电路用于控制投切开关改变谐振腔的结构为LCL型拓扑或LC型拓扑，P侧和S侧的谐振腔的谐振频率相同；包括如下步骤：

1)，在启动系统时，控制P侧电源输出电压U_p的相位超前或滞后于S侧电源输出电压U_s的相位90°，并根据所需的电能传输方向，控制S侧和P侧的谐振腔均为LCL型拓扑或均为LC型拓扑；

2)，当需要改变两侧的无线电能传输部的电能传输方向时，通过控制电路同时改变S侧和P侧的谐振腔的拓扑结构。

进一步的，当启动系统时P侧电源输出电压U_p的相位超前于S侧电源输出电压U_s的相位90°时，当S侧和P侧的谐振腔为LCL型拓扑时，无线电能传输部的电能从P侧传输到S侧；当S侧和P侧的谐振腔均改变为LC型拓扑时，无线电能传输部的电能从S侧传输到P侧；

当启动系统时P侧电源输出电压U_p的相位滞后于S侧电源输出电压U_s的相位90°时，当S侧和P侧的谐振腔为LCL型拓扑时，无线电能传输部的电能从S侧传输到P侧；当S侧和P侧的谐振腔均改变为LC型拓扑时，无线电能传输部的电能从P侧传输到S侧。

进一步的，所述基于变结构的双向无线电能传输系统中，S侧谐振腔电路包括发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁、谐振电感L_m、谐振电感等效电阻R_m，所述发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁构成的串联支路通过第二开关SW_2p连接在所述电源两端，所述谐振电感L_m、谐振电感等效电阻R_m以及第一开关SW_1p串联的支路并联在所述第二开关SW_2p和谐振电容C₁的串联支路两端，在所述发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁的串联支路两端并联有第三开关SW_3p。

有益效果：一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法中，一方面，在能量以对等LCL型谐振拓扑从P侧无线传输至S侧或从S侧无线传输至P侧，某一时刻，同时改变P侧和S侧拓扑结构，即将LCL型拓扑变换成LC型拓扑，根据LCL型和LC型双向无线电能传输系统能量传输方向控制特征，改变能量传输方向。另一方面，在能量以对等LC型谐振拓扑从P侧无线传输至S侧或从侧无线传输至P侧，某一时刻，同时改变P侧和S侧拓扑结构，即将LC型拓扑变换成LCL型拓扑，改变能量传输方向。本方法实现了只需通过开关投切改变双向无线电能传输系统中两侧的谐振腔拓扑结构，即可控制电能的流向。

附图说明

图1为双向无线电能传输系统可变双谐振拓扑结构图；

图2为谐振腔为LCL型拓的双向无线电能传输系统结构图；

图3为谐振腔为LC型拓的双向无线电能传输系统结构图；

图4为系统初始以LCL型拓扑实现能量从P侧传输至S侧的两侧逆变器出口电压波形图；

图5为系统初始以LC型拓扑实现能量从P侧传输至S侧的两侧逆变器出口电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法，基于变结构的双向无线电能传输系统中，将两侧的无线电能传输部分分别称为S侧和P侧。S侧和P侧的电路拓扑结构相同，均包括直流电源电源、逆变电路、谐振腔以及控制电路。如图1所示，S侧中的直流电源V_p连接在逆变电路的输入端；谐振腔电路包括发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁、谐振电感L_m、谐振电感等效电阻R_m；发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁构成的串联支路通过第二开关SW_2p连接在逆变电路的输出端；谐振电感L_m、谐振电感等效电阻R_m以及第一开关SW_1p串联的支路并联在第二开关SW_2p和谐振电容C₁的串联支路两端；在发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁的串联支路两端并联有第三开关SW_3p。

类似的，P侧中的直流电源V_s连接在逆变电路的输入端；谐振腔电路包括发射线圈电感L_s、发射线圈等效电阻R_s、谐振电容C₂、谐振电感L_n、谐振电感等效电阻R_n；发射线圈电感L_s、发射线圈等效电阻R_s、谐振电容C₂构成的串联支路通过第二开关SW_2s连接在逆变电路的输出端；谐振电感L_n、谐振电感等效电阻R_n以及第一开关SW_1s串联的支路并联在第二开关SW_2s和谐振电容C₂的串联支路两端；在发射线圈电感L_s、发射线圈等效电阻R_s、谐振电容C₂的串联支路两端并联有第三开关SW_3p。将双向无线电能传输系统P侧和S侧谐振腔参数配置成L_m＝L_p＝L₁，R_m＝R_p＝R₁，L_n＝L_s＝L₂，R_n＝R_s＝R₂，同时设置两侧逆变器的出口电压频率为f，并满足f与谐振腔的谐振频率一致，即

如图2所示，以两侧谐振腔均为LCL型拓扑为例，P侧的有功功率和无功功率的表达式分别为：

$P_p=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\[U_p{I_1}^{*}\]=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_1{U_p}^2-{\mathrm{\λ}}_2{U}_p{U}_{s}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$

$Q_p=\frac{1}{2}\mathrm{Im}\[U_p{I_1}^{*}\]=-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_2{U}_p{U}_{s}cos\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}};$

S侧的有功功率和无功功率的表达式分别为：

$P_s=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\[U_s{I_2}^{*}\]=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_3{U_s}^2+{\mathrm{\λ}}_2{U}_p{U}_{s}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}$

$Q_s=\frac{1}{2}\mathrm{Im}\[U_s{I_2}^{*}\]=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\λ}}_2{U}_p{U}_{s}cos\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}.$

其中，I₁ ^*为P侧LCL谐振腔入口电流的共轭，I₂ ^*为S侧LCL谐振腔入口电流的共轭；(λ₁,λ₃)<<λ₂，λ、λ₁、λ₂、λ₃均为常数，θ为电压相量U_p和U_s之间的相位差，即，因此，当θ＝-90°时，U_p超前U_s90°，P_p>0，P_s<0，Q_p＝Q_s＝0，即能量从P侧无线传输至S侧并保证零无功；当θ＝90°时，U_p滞后U_s90°，P_p<0，P_s>0，Q_p＝Q_s＝0，即能量从S侧无线传输至P侧并保证零无功。本实施例中，电源是直流电源V_p或V_s经过逆变得到U_p和U_s。

如图3所示，再以两侧谐振腔均为LC型拓扑为例，P侧的有功功率和无功功率的表达式分别为：

$P_p=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(U_p{I_P}^{*}\right)=\frac{1}{2}\frac{R_s{U_p}^2+{\mathrm{\&omega;MU}}_p{U}_{s}sin\mathrm{\&theta;}}{R_p{R}_s+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2}$

$Q_p=\frac{1}{2}\mathrm{Im}\left(U_p{I_P}^{*}\right)=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\&omega;MU}}_p{U}_{s}cos\mathrm{\&theta;}}{R_p{R}_s+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2};$

S侧的有功功率和无功功率的表达式分别为：

$P_s=\frac{1}{2}\mathrm{Re}\left(U_s{I_s}^{*}\right)=\frac{1}{2}\frac{R_p{U_s}^2-{\mathrm{\&omega;MU}}_p{U}_{s}sin\mathrm{\&theta;}}{R_p{R}_s+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2}$

$Q_s=\frac{1}{2}\mathrm{Im}\left(U_s{I_s}^{*}\right)=-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\&omega;MU}}_p{U}_{s}cos\mathrm{\&theta;}}{R_p{R}_s+{\left(\mathrm{\&omega;}M\right)}^2}.$

其中，I_p ^*为P侧LC谐振腔入口电流的共轭，I_s ^*为S侧LC谐振腔入口电流的共轭，ω为系统的谐振角频率，ω＝2πf，M为P侧和S侧耦合线圈的互感。

因此，当θ＝-90°时，U_p超前U_s90°，P_s>0，P_p<0，Q_p＝Q_s＝0，即能量从S侧无线传输至P侧并保证零无功；当θ＝90°时，U_p滞后U_s90°，P_p>0，P_s<0，Q_p＝Q_s＝0，即能量从P侧无线传输至S侧并保证零无功。

根据LCL型和LC型双向无线电能传输系统能量传输方向控制特征，控制电路通过投切开关改变谐振腔的结构为LCL型拓扑或LC型拓扑来改变能量传输方向，具体为：

在启动系统时，控制P侧逆变器出口电压U_p的相位超前于S侧逆变器出口电压U_s的相位90°，如图2所示，闭合P侧开关SW_1p和SW_3p，以及S侧开关SW_1s和SW_3s，断开P侧开关SW_2p，以及S侧开关SW_2s，使能量以对等LCL型谐振拓扑从P侧无线传输至S侧。在某一时刻，当系统响应能量从S侧传输至P侧的传输要求，此时，断开开关SW_1p和SW_3p，以及SW_1s和SW₃，同时闭合开关SW_2p和SW_2s，使谐振拓扑变换成对等的LC型，如图3所示，即可响应能量传输方向改变的要求。

在启动系统时，控制P侧逆变器出口电压U_p的相位滞后于S侧逆变器出口电压U_s的相位90°，如图2所示，闭合P侧开关SW_1p和SW_3p，以及S侧开关SW_1s和SW_3s，断开P侧开关SW_2p，以及S侧开关SW_2s，使能量以对等LCL型谐振拓扑从S侧无线传输至P侧。在某一时刻，当系统响应能量从P侧传输至S侧的传输要求，此时，断开开关SW_1p和SW_3p，以及SW_1s和SW₃，同时闭合开关SW_2p和SW_2s，使谐振拓扑变换成对等的LC型，如图3所示，即可响应能量传输方向改变的要求。

类似地，在启动系统时，控制P侧逆变器出口电压U_p的相位滞后于S侧逆变器出口电压U_s的相位90°，如图3所示，闭合P侧开关SW_2p，以及S侧开关SW_2s，断开P侧开关SW_1p和SW_3p，以及S侧开关SW_1s和SW_3s；使能量以对等LC型谐振拓扑从P侧无线传输至S侧。在某一时刻，当系统响应能量从S侧传输至P侧的传输要求，此时，断开开关SW_2p和SW_2s，同时闭合开关SW_1p和SW_3p，以及开关SW_1s和SW_3s，使谐振拓扑变换成对等的LCL型，如图2所示，即可响应能量传输方向改变的要求。

类似地，在启动系统时，控制P侧逆变器出口电压U_p的相位超前于S侧逆变器出口电压U_s的相位90°，如图3所示，闭合P侧开关SW_2p，以及S侧开关SW_2s，断开P侧开关SW_1p和SW_3p，以及S侧开关SW_1s和SW_3s；使能量以对等LC型谐振拓扑从S侧无线传输至P侧。在某一时刻，当系统响应能量从P侧传输至S侧的传输要求，此时，断开开关SW_2p和SW_2s，同时闭合开关SW_1p和SW_3p，以及开关SW_1s和SW_3s，使谐振拓扑变换成对等的LCL型，如图2所示，即可响应能量传输方向改变的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法，其特征在于：所述基于变结构的双向无线电能传输系统中，将两侧的无线电能传输部分分别称为S侧和P侧；S侧和P侧的电路拓扑结构相同，均包括电源、谐振腔以及控制电路，所述控制电路用于控制投切开关改变谐振腔的结构为LCL型拓扑或LC型拓扑，P侧和S侧的谐振腔的谐振频率相同；包括如下步骤：

1)，在启动系统时，控制P侧电源输出电压U_p的相位超前或滞后于S侧电源输出电压U_s的相位90°，并根据所需的电能传输方向，控制S侧和P侧的谐振腔均为LCL型拓扑或均为LC型拓扑；

2)，当需要改变两侧的无线电能传输部的电能传输方向时，通过控制电路同时改变S侧和P侧的谐振腔的拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法，其特征在于：

当启动系统时P侧电源输出电压U_p的相位超前于S侧电源输出电压U_s的相位90°时，当S侧和P侧的谐振腔为LCL型拓扑时，无线电能传输部的电能从P侧传输到S侧；当S侧和P侧的谐振腔均改变为LC型拓扑时，无线电能传输部的电能从S侧传输到P侧；

当启动系统时P侧电源输出电压U_p的相位滞后于S侧电源输出电压U_s的相位90°时，当S侧和P侧的谐振腔为LCL型拓扑时，无线电能传输部的电能从S侧传输到P侧；当S侧和P侧的谐振腔均改变为LC型拓扑时，无线电能传输部的电能从P侧传输到S侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于变结构的双向无线电能传输系统能量流动方向控制方法，其特征在于：所述基于变结构的双向无线电能传输系统中，S侧谐振腔电路包括发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁、谐振电感L_m、谐振电感等效电阻R_m，所述发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁构成的串联支路通过第二开关SW_2p连接在所述电源两端，所述谐振电感L_m、谐振电感等效电阻R_m以及第一开关SW_1p串联的支路并联在所述第二开关SW_2p和谐振电容C₁的串联支路两端，在所述发射线圈电感L_p、发射线圈等效电阻R_p、谐振电容C₁的串联支路两端并联有第三开关SW_3p。