CN106712317B - 串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，目的在于，对系统进行电磁干扰预测，直观的反映出系统电磁干扰的严重程度，并在搭建试验平台前对系统参数与模型进行优化，降低其电磁干扰，所采用的技术方案为：首先确定系统参数，然后建立系统电磁干扰模型，添加系统寄生参数，其次分析不同耦合系数对无线功率传输系统工作状态的影响，再次分析不同耦合系数对系统电磁干扰模型的影响，最后仿真计算不同耦合系数下输出侧共模干扰信号时域与频域波形，根据时域与频域波进行分析，为实际系统电磁干扰抑制提供指导。

Description

串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法

技术领域

本发明属于电力电子电磁干扰研究领域，具体涉及一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法。

背景技术

相比于通过金属导线进行能量传输的方式，无线功率传输不但没有其传输介质容易老化损耗、传输过程中摩擦产生火花影响设备使用寿命和用电安全的弊端，反而具有便捷、耐用、特殊场合也可适用等优势。因此，在移动终端和电动汽车的充电、体内植入的医疗设备的供电等方面具有广大应用前景，其电磁干扰问题也在工程实际中越显重要。

为了对无线功率传输系统的电磁干扰进行研究，国内外相关学者也提出一些解决办法。已公开的发明专利《用于控制无线功率传输系统中的干扰的方法和设备》发明了一种功率传输单元(PTU)的干扰控制方法，可以确定PTU是否处于发生邻近PTU的干扰环境中以及响应于确定的结果是PTU处于所述干扰环境中，最终控制邻近PTU和功率接收单元(PRU)中的任意一个或两个的通信参数。已公开的发明专利《用于无线功率传输系统的谐波消减设备》设计了一种耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备的装置,此谐波消减设备被配置为对至少一个频率分量进行衰减。

以上专利中提及的控制方法和消减设备是目前为数不多的针对无线功率传输系统的电磁干扰问题的专利，但是这些方法都只能在系统建立完成后进行电磁干扰抑制、消减与控制，无法对系统本身进行修改调整。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，在串联谐振型无线功率传输系统建立之前，能够对系统进行电磁干扰预测，能够直观的反映出系统电磁干扰的严重程度，并在搭建试验平台前对系统参数与模型进行优化，降低其电磁干扰。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括以下步骤：

1)确定系统参数：包括串联谐振型无线功率传输系统的输入电压U、谐振频率f、发射侧谐振电感L₁与发射侧谐振电容C₁、接收侧谐振电感L₂与接收侧谐振电容C₂、线圈耦合系数k、负载R；

2)建立系统电磁干扰模型，添加系统寄生参数；

3)分析不同线圈耦合系数对无线功率传输系统工作状态的影响；

4)根据步骤3)的结果分析不同线圈耦合系数对系统电磁干扰模型的影响；

5)仿真计算不同线圈耦合系数下输出侧共模干扰信号的时域和频域波形；

6)根据仿真结果对共模干扰信号进行抑制。

所述步骤1)中发射侧谐振电感L₁和接收侧谐振电感L₂为固定值，发射侧谐振电容C₁和接收侧谐振电容C₂根据谐振条件计算：

所述步骤2)中在发射侧的MOSFET开关管S₂和S₃间添加等效对地寄生电容C_p，在原边线圈L₁和副边线圈L₂之间添加寄生电容C_S1和C_S2，在接收侧的二极管D1和D3间添加对地寄生电容C_t，在接收侧的二极管D2和D4间添加对地寄生电容C_r，在接收侧的MOSFET开关管S₁上添加等效对地寄生电容C_q。

所述步骤3)中对于串联谐振型无线功率传输系统在谐振状态下，输出功率与耦合系数的关系为：

效率与耦合系数的关系为：

其中，ω＝2πf，M为原边线圈L₁和副边线圈L₂的互感：

将公式(4)代入公式(2)和(3)中，当负载固定时，即得到输出功率和效率与耦合系数的关系曲线。

所述步骤4)中根据输出功率和效率与耦合系数的关系曲线，以及平板电容计算公式

若线圈耦合系数k处在效率最大点和效率与输出功率折中点之间时，考虑原边线圈L₁和副边线圈L₂之间的寄生电容C_S1和C_S2对共模干扰的影响；若线圈耦合系数k处在效率与输出功率折中点和功率最大点间，以及欠耦合时，忽略寄生电容C_S1和C_S2对共模干扰的影响。

所述步骤5)中线圈耦合系数k处在效率最大点和效率与输出功率折中点之间时，输出侧共模干扰信号为原边干扰源与副边干扰源共同作用；线圈耦合系数k处在效率与输出功率折中点和功率最大点间，以及欠耦合时输出侧共模干扰信号由副边干扰源引起，从而得到不同线圈耦合系数下输出侧共模干扰信号的时域和频域波形。

所述步骤6)中根据不同线圈耦合系数下输出侧共模干扰信号的时域和频域波形得出，线圈耦合系数在输出功率最大点的共模干扰最为严峻，并对共模干扰进行抑制。

与现有技术相比，本发明首先确定系统参数，然后建立系统电磁干扰模型，添加系统寄生参数，其次分析不同耦合系数对无线功率传输系统工作状态的影响，再次分析不同耦合系数对系统电磁干扰模型的影响，最后仿真计算不同耦合系数下输出侧共模干扰信号时域与频域波形，根据时域与频域波进行分析，为实际系统电磁干扰抑制提供指导，通过模拟仿真系统包含高频参数的电路，提取出输出侧共模干扰并进行频域分析，得到系统电磁干扰预测，后续基于预测值对系统参数进行调节直至符合预期目标。本发明在系统建立之前，对系统进行电磁干扰预测，能够直观的反映出系统电磁干扰的严重程度，并在搭建试验平台前对系统参数与模型进行优化，降低其电磁干扰。

附图说明

图1为本发明的系统电磁干扰模型；

图2为本发明的系统输出功率、效率与耦合系数关系曲线；

图3a为本发明在k＝0.02下的共模干扰时域波形，图3b为在k＝0.06下的共模干扰时域波形，图3c为k＝0.08的共模干扰时域波形，图3d为k＝0.3的共模干扰时域波形；

图4a为本发明在k＝0.02下的共模干扰频域波形，图4b为在k＝0.06下的共模干扰频域波形，图4c为k＝0.08的共模干扰频域波形，图4d为k＝0.3的共模干扰频域波形。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

本发明包括以下步骤：

1)确定系统参数，包括输入电压U、谐振频率f、发射侧谐振电感L₁与谐振电容C₁，接收侧谐振电感L₂与谐振电容C₂，线圈耦合系数k、负载R；

系统电路如图1所示，激励产生的电流流过发射侧线圈L₁并产生与电流方向垂直的磁场。当磁场穿过接收侧线圈L₂后，产生感应电动势并在接收侧线圈和负载中产生电压和电流，其中，L₁为发射侧谐振电感，C₁为其谐振电容，R₁为其等效串联电阻；L₂为接收侧谐振电感，C₂为其谐振电容，R₂为其等效串联电阻，k为两谐振线圈的耦合系数，对于一个无线功率传输系统，首先需要确定其基本参数，即输入电压U与工作频率f。对于已经绕制完成的谐振线圈，其电感值L₁、L₂为固定值且由仪器测量出感值，则可根据下式的谐振条件计算出谐振电容C₁、C₂：

线圈耦合系数k，由线圈距离、相对位置等因素决定，视作变量处理，负载R则可根据需求进行设定；

2)建立系统电磁干扰模型，添加系统寄生参数：

图1为系统传导干扰模型，C_p是两个MOSFET开关管S₂、S₃的等效对地寄生电容，C_S1和C_S2是系统的初级线圈和次级线圈之间的寄生电容，C_t、C_r是二极管的对地寄生电容，C_q是开关管S₁的等效对地寄生电容；

3)分析不同耦合系数对无线功率传输系统工作状态的影响；

对于串联谐振型无线功率传输系统在谐振状态下，其输出功率和效率与耦合系数的关系为：

其中，ω＝2πf，M为两线圈的互感：

将式(4)代入(2)(3)中，当负载固定时(5Ω)，可得功率和效率与耦合系数k的关系曲线，如图2所示，从图中可以看出，当k>0.3时，输出效率达到最大值，但此时输出功率较小；当k＝0.06时，输出功率达到最大值，但此时效率有所降低，因此，进行系统设计时，应根据需求在最大效率与最大功率之间均衡考虑确定k值；

4)分析不同工作状态(不同耦合系数)对系统电磁干扰模型的影响；

不同的k值会导致系统传导干扰模型发生变化，进而影响输出侧电磁干扰。根据平板电容计算公式：

其中，S为电容器两极板的正对面积，d为电容器两极板之间的距离，ε为介电常数，k₁为静电常数；

当线圈耦合系数k较大时，原副边线圈距离较近、相对面积较大，此时需要考虑线圈间寄生电容C_S1和C_S2的影响；当k较小时，原副边线圈距离较远、相对面积较小，此时C_S1和C_S2容值甚小，可以忽略其对传导干扰的影响；

5)仿真计算不同工作状态下输出侧共模干扰信号时域与频域波形；

对系统在不同工作状态下的共模干扰进行仿真分析：1.效率最大(k＝0.3)；2.功率最大点(k＝0.06)；3.效率与功率折中(k＝0.08)；4.欠耦合(k＝0.02)，效率最大时，考虑原副边线圈寄生电容的影响，输出侧干扰为原边干扰源与副边干扰源共同作用的结果；功率最大与折中点以及欠耦合时，忽略原副边线圈寄生电容的影响，输出侧干扰仅由副边干扰源引起，得到各工作状态下输出侧共模干扰时域如图3所示，频域如图4所示；

6)对仿真结果进行分析，为实际系统电磁干扰抑制提供指导；

由仿真结果可以看出共模干扰在功率最大点时最大，原因如下：当效率最大时，虽然此时考虑线圈间寄生电容，干扰为原边副边之和，但由于耦合系数过大，系统处于过耦合状态，系统传输功率大大减小，因此干扰略有降低；效率与功率折中点时，虽然传输功率较大，但由于线圈耦合系数太小，原边、副边寄生参数影响可以忽略，因此干扰仅为副边引起，较功率最大时干扰有所降低；欠耦合时，干扰同样仅为副边引起，但此时传输功率过小，因此干扰较小；在功率最大点时，虽然干扰仅为副边引起，但此时传输功率最大，因此干扰最大；

7)根据仿真结果，为实际系统电磁干扰抑制提供指导；

基于最终的仿真结果，当进行系统电磁干扰设计时，传输功率最大点的共模干扰最为严峻，应重点考虑对此时的干扰进行抑制，这样在系统设计之前便对整个电磁干扰状况有较为清晰的了解，为之后的设计指引方向，可以在源头处将电磁干扰降低消减，节省大量财力、精力与物力，是一种解决无线功率传输电磁干扰问题的重要方法。

本发明通过模拟仿真系统包含高频参数的电路，提取出输出侧共模干扰并进行频域分析，得到系统电磁干扰预测值，后续可基于预测值对系统参数进行调节直至符合预期目标。

Claims (5)

1.一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定系统参数：包括串联谐振型无线功率传输系统的输入电压U、谐振频率f、发射侧谐振电感L₁与发射侧谐振电容C₁、接收侧谐振电感L₂与接收侧谐振电容C₂、线圈耦合系数k、负载R；

2)建立系统电磁干扰模型，添加系统寄生参数；

步骤2)中在发射侧的MOSFET开关管S₂和S₃间添加等效对地寄生电容C_p，在原边线圈L₁和副边线圈L₂之间添加寄生电容C_S1和C_S2，在接收侧的二极管D1和D3间添加对地寄生电容C_t，在接收侧的二极管D2和D4间添加对地寄生电容C_r，在接收侧的MOSFET开关管S₁上添加等效对地寄生电容C_q；

3)分析不同线圈耦合系数对无线功率传输系统工作状态的影响；

步骤3)中对于串联谐振型无线功率传输系统在谐振状态下，输出功率与耦合系数的关系为：

效率与耦合系数的关系为：

其中，ω＝2πf，M为原边线圈L₁和副边线圈L₂的互感：

将公式(4)代入公式(2)和(3)中，当负载固定时，即得到输出功率和效率与耦合系数的关系曲线；

4)根据步骤3)的结果分析不同线圈耦合系数对系统电磁干扰模型的影响；

5)仿真计算不同线圈耦合系数下输出侧共模干扰信号的时域和频域波形；

6)根据仿真结果对共模干扰信号进行抑制。

2.根据权利要求1所述的一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤1)中发射侧谐振电感L₁和接收侧谐振电感L₂为固定值，发射侧谐振电容C₁和接收侧谐振电容C₂根据谐振条件计算：

3.根据权利要求1所述的一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤4)中根据输出功率和效率与耦合系数的关系曲线，以及平板电容计算公式

若线圈耦合系数k处在效率最大点和效率与输出功率折中点之间时，考虑原边线圈L₁和副边线圈L₂之间的寄生电容C_S1和C_S2对共模干扰的影响；若线圈耦合系数k处在效率与输出功率折中点和功率最大点间，以及欠耦合时，忽略寄生电容C_S1和C_S2对共模干扰的影响。

4.根据权利要求3所述的一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤5)中线圈耦合系数k处在效率最大点和效率与输出功率折中点之间时，输出侧共模干扰信号为原边干扰源与副边干扰源共同作用；线圈耦合系数k处在效率与输出功率折中点和功率最大点间，以及欠耦合时输出侧共模干扰信号由副边干扰源引起，从而得到不同线圈耦合系数下输出侧共模干扰信号的时域和频域波形。

5.根据权利要求4所述的一种串联谐振型无线功率传输系统的电磁干扰预测方法，其特征在于，步骤6)中根据不同线圈耦合系数下输出侧共模干扰信号的时域和频域波形得出，线圈耦合系数在输出功率最大点的共模干扰最为严峻，并对共模干扰进行抑制。