CN107294225B - 副边并联补偿的ipt系统负载与互感参数识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，针对副边电路为并联补偿形式，能量发射端谐振网络可以为串联补偿、并联补偿以及LCL补偿的IPT系统，仅需要在系统能量发射端检测系统运行频率、逆变器输出电流及电压有效值就可实现负载及互感参数的识别，有利于提高IPT系统的传输性能，该方法不会降低系统功率密度、增加系统的成本和控制难度。

Description

副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法

技术领域

本发明涉及感应电能传输技术领域，具体涉及一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法。

背景技术

感应电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术作为主流无线电能传输(Wireless Power Transfer)技术之一，得到了越来越广泛的关注与研究。随着IPT技术的迅速发展，该技术在交通运输、照明系统、电子产品充电以及生物医电等诸多领域的应用逐渐推广。

近年来，许多科研者致力于提升IPT系统能量传输容量或者效率，并且上述二者均与负载以及磁场耦合强度密切相关。然而在很多实际应用中，负载以及互感的变化无法避免且不可知。以电动汽车的无线供电为例，不同的电动汽车有不同的负载特性以及不同的能量需求。同时，不同的底盘高度以及底盘与能量发射线圈之间的偏移将导致互感的变化。一般而言，为了获得负载以及互感信息，在系统能量发射端及接收端之间建立额外的通信系统是一种常用的解决方案。然而，如能无需通信系统而获取上述信息无疑将降低系统体积、成本以及复杂度。

如今，已有学者在互感固定的情况下提出了一些IPT系统的负载识别方法。此外，文献Su Y,Zhang H,Wangi Z,Patrick Hu A,Chen L,Sun Y.Steady-State LoadIdentification Method of Inductive Power Transfer System Based on SwitchingCapacitors.IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(11):6349～6355.针对S/S型IPT系统，通过切换系统原边谐振回路中增加的补偿电容完成了负载与互感识别。由于并联补偿具有电压泵升特性以及固有的电流限流能力，因此它在实际应用中得以广泛运用。然而，目前暂时没有针对能量拾取端谐振网络为并联补偿拓扑的IPT系统负载与互感参数识别的相关研究。因此，本发明针对副边电路为并联补偿形式，能量发射端谐振网络可为串联补偿、并联补偿以及LCL补偿的IPT系统，提出了一种稳态条件下的负载与互感参数识别方法。

发明内容

本申请通过提供一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，针对副边电路为并联补偿形式，能量发射端谐振网络可以为串联补偿、并联补偿以及LCL补偿的IPT系统，仅需要在系统能量发射端检测系统运行频率、逆变器输出电流及电压有效值就可实现负载及互感参数的识别，并且该方法无需额外电路即可实现，因此不会降低系统功率密度，同时不会增加系统成本及控制难度。

为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：

一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，包括如下步骤：

S1：确定IPT系统拓扑结构并获取对应的系统参数；

要求IPT系统的副边电路采用能量接收线圈L_s与补偿电容C_s并联形式，原边电路采用原边线圈L_p与补偿电容C_p串联构成的串联补偿或者原边线圈L_p与补偿电容C_p并联构成的并联补偿或者原边线圈L_p与补偿电容C_p并联后再与电感L_r串联构成的LCL补偿；

对应的系统参数包括：原边线圈L_p、能量接收线圈L_s、电感L_r、补偿电容C_p、补偿电容C_s、原边线圈L_p的串联等效电阻R_p、能量接收线圈L_s的串联等效电阻R_s以及电感L_r的串联等效电阻R_r；

S2：测量逆变器输出电压U_inv、输出电流I_inv及系统运行频率f；

S3：判断原边电路的补偿形式，如果是串联补偿或者并联补偿，则进入步骤S4，如果是LCL补偿，则进入步骤S8；

S4：定义参数ψ＝ωC_sR，式中，ω为系统实际运行角频率，R为负载，根据方程式m₁ψ²+m₂ψ+m₃＝0求解得到参数ψ₁和参数ψ₂：

对于原边串联补偿拓扑而言：

式中，参数 为参数Z_θ的实部，为参数Z_θ的虚部，ω为系统实际运行角频率，Z₁₁为输入阻抗；

对于原边并联补偿或者LCL补偿拓扑而言：

其中，

式中，参数α₁＝1-ω²L_pC_p，参数β₁＝ωC_pR_p；

S5：定义并计算变量μ＝σ(n)_-1-σ(n)_-2，其中，

ε(n)_-i＝I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea-I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i

式中，I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea为I_inv的n次谐波有效值的测量值，I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i为I_inv的n次谐波有效值，i＝1,2，n＝3,5...2k+1；

S6：判断是否满足μ＜0，如果是，则进入步骤S7，否则进入步骤S8；

S7：根据参数ψ₁计算负载R₁及互感M₁，完成负载与互感的识别；

S8：根据步骤S4计算参数ψ₂，进入步骤S9；

S9：根据参数ψ₂计算负载R₂及互感M₂，完成负载与互感的识别。

进一步地，步骤S1中构建的副边并联补偿的IPT系统的参数满足以下关系：

式中，ω₀为固有谐振频率，S/P&P/P表示原边串联补偿、副边并联补偿和原边并联补偿、副边并联补偿，LCL/P表示原边LCL补偿、副边并联补偿。

进一步地，步骤S7中对于原边串联补偿拓扑而言：

负载互感

对于原边并联补偿拓扑而言：

负载互感

进一步地，步骤S9中对于原边串联补偿拓扑而言：

负载互感

对于原边并联以及LCL补偿拓扑而言：

负载互感

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，具有的技术效果或优点是：该方法无需额外的控制以及通信电路，仅需要在系统能量发射端检测系统运行频率、逆变器输出电流及电压有效值即可实现，因此不会降低系统功率密度，同时系统成本以及控制难度也不会增加。

附图说明

图1为副边并联补偿的IPT系统等效电路拓扑；

图2(a)为能量拾取端串联补偿拓扑；

图2(b)为能量拾取端并联补偿拓扑；

图2(c)为能量拾取端LCL补偿拓扑；

图3为原边串联补偿下，不同R时ω_n随M变化曲线图；

图4为原边串联补偿下，不同ω_n时m₁·m₃变化曲线图；

图5(a)为原边并联补偿下，不同R时ω_n随M变化曲线图；

图5(b)为原边LCL补偿下，不同R时ω_n随M变化曲线图；

图6(a)为原边并联补偿下，不同ω_n时m₁·m₃变化曲线图；

图6(b)为原边LCL补偿下，不同ω_n时m₁·m₃变化曲线图；

图7为原边LCL补偿下，不同ω_n时ψ₂变化曲线图；

图8为识别方法流程图；

图9为负载与互感识别方法结构图；

图10为仿真结果示意图；

图11为负载固定情况下的实验识别结果图；

图12为互感固定情况下的实验识别结果图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，针对副边电路为并联补偿形式，能量发射端谐振网络可以为串联补偿、并联补偿以及LCL补偿的IPT系统，仅需要在系统能量发射端检测系统运行频率、逆变器输出电流及电压有效值就可实现负载及互感参数的识别，以解决现有技术中为了获得负载及互感信息需要建立额外的通信系统所带来的系统功率密度、成本以及控制难度的增加的技术问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。

实施例：

图1给出了副边电路为并联补偿的IPT系统等效电路拓扑。

其系统的原边电路补偿形式可以为以下三种：如图2(a)所示为原边线圈L_p与补偿电容C_p串联构成的原边串联谐振回路，图2(b)所示为原边线圈L_p与补偿电容C_p并联构成的原边并联谐振回路。如图2(c)所示的LCL谐振回路由原边线圈L_p并联补偿电容C_p后再与电感L_r串联构成。在系统副边，能量接收线圈L_s与并联补偿电容C_s构成副边谐振回路，并将能量传递给负载，图中将系统整流环节与负载等效为负载R，M为耦合线圈L_p、L_s之间互感，R_p、R_s以及R_r分别为线圈L_p、L_s以及电感L_r的串联等效电阻，U_inv与I_inv分别为逆变器输出电压与输出电流。

为了降低电源输入的无功功率以及提高系统能量传输能力，系统的运行频率应与原边以及副边电路的固有谐振频率相近。因此，为了使得系统原边以及副边电路的固有谐振频率均近似为ω₀，系统电路参数满足以下关系：

式中，ω₀为固有谐振频率，S/P&P/P表示原边串联补偿、副边并联补偿和原边并联补偿、副边并联补偿，LCL/P表示原边LCL补偿、副边并联补偿。

在系统的能量发射端，谐振电感与电容组成了低通滤波器，从而抑制了谐振回路中的高次谐波，因此本发明在分析中仅考虑了基波的存在。表1给出了逆变器输出电压U_inv以及输出电流I_inv的均方根值(root-mean-square,RMS)，其中U_mea以及I_mea分别表示逆变器输出电压以及输出电流均方根值的测量值。

表1 U_inv以及I_inv的均方根值

系统中涉及到的电路参数值：原边线圈L_p、能量接收线圈L_s、电感L_r、补偿电容C_p、补偿电容C_s、原边线圈L_p的串联等效电阻R_p、能量接收线圈L_s的串联等效电阻R_s以及电感L_r的串联等效电阻R_r均在实验前测量得到，且在实验过程中不会发生影响实验结果的变化，因此，在本实施例中将上述参数视为已知的固定参数。

由图1可以推导如下形式KVL回路方程：

其中，参数Z₁₁、Z₁₂、Z₂₁及Z₂₂的表达式分别列于表2中，ω为系统实际运行角频率。

表2 Z₁₁,Z₁₂,Z₂₁以及Z₂₂表达式

其中

γ＝ωM (4)

为了便于以下数学推导，定义参数ψ＝ωC_sR，于是副边谐振网络阻抗Z_s表达如下：

由式(2)，可以得到表达式：

进一步，输入阻抗Z_in可以由式(6)得到：

一般来说，系统会以零相角频率运行从而最小化电源视在功率等级。当系统运行于此频率时，U_inv与I_inv同相进而获得以下关系式：

其中，以及分别表征相应变量的实部与虚部。进一步，由式(7)到(9)可以得到下列关系式：

如下定义参数Z_θ：

于是，式(10)可表达为：

参照表2，Z_θ的数值可以计算得到，同时也可得到实部以及虚部的表达式。对于原边串联补偿拓扑而言：

对于原边并联补偿以及LCL补偿拓扑而言：

由式(4)与(5)看出，互感M仅与变量γ相关，而等效电阻值R包含于变量α₂和β₂中。因此，式(14)与(15)中的全部变量除了α₂、β₂和γ均为已知。将式(12)和(13)分别代入式(14)和(15)可消去变量γ，于是得到关于变量ψ的一般性方程：

m₁ψ²+m₂ψ+m₃＝0 (16)

对于原边串联补偿拓扑而言：

对于原边并联补偿以及LCL补偿拓扑而言：

其中：

最终，ψ由式(16)计算得到：

于是，基于ψ₁和ψ₂可得到两组R和M的表达式。

对于原边串联补偿拓扑而言：

对于原边并联补偿以及LCL补偿拓扑而言：

由式(20)至(22)可发现，基于上述识别模型可以获得两组识别结果。其中一组解的数值接近测量值，认为这一组解为合理解；另外一组解则与测量值偏差甚远，认为这一组为非合理解。

为了剔除非合理解，首先分析ψ₁与ψ₂的正负性。由于至少存在一个为正的解，因此仅存在两种可能：1)其中一个解为正值(即ψ₁ψ₂＜0)；2)均为正值(即ψ₁ψ₂＞0)。以S/P型IPT系统为例进行分析，首先定义归一化角频率ω_n＝ω/ω₀，于是变量Z_θ、m₁和m₃可重写为如下形式：

其中：

基于式(16)可知ψ₁ψ₂的正负性与m₁m₃一致

由式(23)可以发现，m₁及m₃的值与ω_n相关。当负载以及互感变化时，系统的运行频率将随之改变以达到零相角频率。因此，不同负载电阻值以及互感值情况下的ω_n可以计算得到，由图3给出。

通常而言，IPT系统的耦合系数k范围为0.1-0.3(对于本实施例中所研究的三个系统，其互感值约为15μH-45μH)。由图3可以看到，互感值在上述变化范围内时，ω_n恒大于1。进一步，式(9)可以表达为如下形式：

将式(26)对R进行求导：

求解式(27)可以得到R_m的表达式：

当R为R_m时，k为最大值；当R趋于正无穷时，k取最小值，如下式：

综上，ω_n的边界范围可由下式计算得到，该区间近似为[1.005,1.195]。

在此条件下，基于式(23)可以得到m₁·m₃在ω_n不同取值情况下的曲线图，如图4所示。

当原边电路为并联补偿以及LCL补偿时，图5分别给出了ω_n的变化曲线。可以看出，当k值处于[0.1,0.3]区间时，ω_n同样恒大于1。

类似地，对于原边并联补偿以及LCL补偿拓扑而言，ω_n的范围可以计算得到，图6给出了m₁·m₃在此范围内的变化曲线。

对于原边LCL补偿，由图6(b)可以发现ψ₁与ψ₂其中一个解为负值。图7进一步给出了ψ₂在不同ω_n取值时的变化曲线，因此确定ψ₂为正且为合理解。

另一方面，对于原边串联与并联补偿，由图4及图6(a)可以发现ψ₁与ψ₂均为正值。如上面所述，本发明中的计算均是以基波近似为条件。因此，为了区分这两组识别结果可在高次谐波上寻得差异，进而本实施例分别基于ψ₁与ψ₂计算逆变输出电流I_inv高次谐波的有效值。随后，将得到的两个计算值与I_inv高次谐波有效值的测量值进行比较，更为接近测量值的则为所需要的识别结果。

此处仍以S/P型IPT系统为例，I_inv的n次谐波有效值可分别由ψ₁与ψ₂计算得到：

其中，R_i及M_i可由式(21)计算得到；U_inv ⁽ⁿ⁾代表逆变输出电压U_inv的n次谐波有效值，表达式如下：

于是，计算值I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i与测量得到的I_inv的前n次谐波有效值间均方差值可计算得到：

其中

ε(n)_-i＝I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea-I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i (34)

i＝1,2；n＝3,5...2k+1.

I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea表示I_inv的n次谐波有效值的测量值，较小的均方差值σ(n)_-i代表计算值I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i更为接近测量值。本实施例中仅计算三次谐波及五次谐波，且如下定义变量μ：μ＝σ(5)_-1-σ(5)_-2 (35)

显然，当μ为负时剔除解ψ₂，反之剔除解ψ₁。对于原边并联补偿拓扑，非合理解的剔除方法类似，因此本实施例不再赘述。

综上所述，一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，如图8所示，包括如下步骤：

一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，包括如下步骤：

S1：确定IPT系统拓扑结构并获取对应的系统参数；

要求IPT系统的副边电路采用能量接收线圈L_s与补偿电容C_s并联形式，原边电路采用原边线圈L_p与补偿电容C_p串联构成的串联补偿或者原边线圈L_p与补偿电容C_p并联构成的并联补偿或者原边线圈L_p与补偿电容C_p并联后再与电感L_r串联构成的LCL补偿；

对应的系统参数包括：原边线圈L_p、能量接收线圈L_s、电感L_r、补偿电容C_p、补偿电容C_s、原边线圈L_p的串联等效电阻R_p、能量接收线圈L_s的串联等效电阻R_s以及电感L_r的串联等效电阻R_r；

其中，构建的副边并联补偿的IPT系统的参数满足以下关系：

式中，ω₀为固有谐振频率，S/P表示原边串联补偿、副边并联补偿，P/P表示原边并联补偿、副边并联补偿，LCL/P表示原边LCL补偿、副边并联补偿；

S2：测量逆变器输出电压U_inv、输出电流I_inv及系统运行频率f；

S3：判断原边电路的补偿形式，如果是串联补偿或者并联补偿，则进入步骤S4，如果是LCL补偿，则进入步骤S8；

S4：定义参数ψ＝ωC_sR，式中，ω为系统实际运行角频率，R为负载，根据方程式m₁ψ²+m₂ψ+m₃＝0计算参数ψ₁和参数ψ₂：

对于原边串联补偿拓扑而言：

式中，参数 为参数Z_θ的实部，为参数Z_θ的虚部，ω为系统实际运行角频率，Z₁₁为输入阻抗；

对于原边并联补偿或者LCL补偿拓扑而言：

其中，

式中，参数α₁＝1-ω²L_pC_p，参数β₁＝ωC_pR_p；

S5：定义并计算变量μ＝σ(n)_-1-σ(n)_-2，其中，

ε(n)_-i＝I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea-I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i

式中，I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea为I_inv的n次谐波有效值的测量值，I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i为I_inv的n次谐波有效值，i＝1,2，n＝3,5...2k+1；

S6：判断是否满足μ＜0，如果是，则进入步骤S7，否则进入步骤S8；

S7：根据参数ψ₁计算负载R₁及互感M₁，完成负载与互感的识别；

对于原边串联补偿拓扑而言：

负载互感

对于原边并联补偿拓扑而言：

负载互感

S8：计算参数ψ₂，并进入步骤S9；

S9：根据参数ψ₂计算负载R₂及互感M₂，完成负载与互感的识别。

对于原边串联补偿拓扑而言：

负载互感

对于原边并联以及LCL补偿拓扑而言：

负载互感

为了验证该识别方法的可行性，本实施例基于MATLAB/Simulink仿真平台根据图1建立了相应的仿真模型，仿真时间设置为0.2ms并且系统已稳态运行，最大仿真步长设置为0.1us。本实施例中仿真参数按照实验系统中的实际测量值进行设置，并列于表3中。

图9给出了本发明识别方法的结构图。通过检测输出电压以及电流的相位以调节系统运行频率，进而保证系统工作在零相角频率条件下。U_inv，I_inv以及f的数值由检测单元采样得到；I_inv ⁽³⁾ _-mea及I_inv ⁽⁵⁾ _-mea则通过FFT(Fast Fourier Transformation)运算得到。基于上述已获得的参数值，由负载与互感识别单元实现系统负载与互感值的识别。

表3 IPT系统参数

仿真验证

在互感参数从15μH变化至45μH，负载参数从20Ω变化至60Ω的情况下进行了一系列仿真验证，其结果由图10给出。其中，识别最大误差不超过3％，可以看出仿真结果与设定值较为吻合。

实验验证

为了进一步验证该识别方法，搭建了IPT系统实验平台。逆变输出电压及电流的采样由模数转换芯片ADS7841实现，FFT运算以及识别算法在FPGA(Altera Cyclone IIEP2C5T144C8)芯片中实现，四个MOSFET(STP30NF20)开关管构成了全桥逆变电路。系统的负载部分由数个电阻组成，通过切换按钮以改变负载等效电阻值。系统互感参数的变化则是通过调节耦合线圈相对位置得以实现。

在负载等效电阻值固定为30Ω，互感参数由15μH变化至45μH(实际测量值分别为15.06μH,19.87μH,24.86μH,30.56μH,35.75μH,39.78μH以及45.78μH)的情况下进行了数次实验验证，其识别结果示于图11。

类似地，互感固定为31.02μH，负载由20Ω变化至60Ω的情况下进行了数次识别，图12给出了识别结果。

表4进一步给出了识别结果的最大误差值，可以看出其最大误差不超过7％。总体而言，仿真以及实验的识别结果均较好地证明了该识别方法的可行性。

表4识别结果最大误差

本申请的上述实施例中，通过提供一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，针对副边电路为并联补偿形式，能量发射端谐振网络可以为串联补偿、并联补偿以及LCL补偿的IPT系统，仅需要在系统能量发射端检测系统运行频率、逆变器输出电流及电压有效值就可实现负载及互感参数的识别，有利于提高IPT系统的传输性能，该方法不会降低系统功率密度、增加系统的成本及控制难度。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：确定IPT系统拓扑结构并获取对应的系统参数；

要求IPT系统的副边电路采用能量接收线圈L_s与补偿电容C_s并联形式，原边电路采用原边线圈L_p与补偿电容C_p串联构成的串联补偿或者原边线圈L_p与补偿电容C_p并联构成的并联补偿或者原边线圈L_p与补偿电容C_p并联后再与电感L_r串联构成的LCL补偿；

对应的系统参数包括：原边线圈L_p、能量接收线圈L_s、电感L_r、补偿电容C_p、补偿电容C_s、原边线圈L_p的串联等效电阻R_p、能量接收线圈L_s的串联等效电阻R_s以及电感L_r的串联等效电阻R_r；

S2：测量逆变器输出电压U_inv、输出电流I_inv及系统运行频率f；

S3：判断原边电路的补偿形式，如果是串联补偿或者并联补偿，则进入步骤S4，如果是LCL补偿，则进入步骤S8；

S4：定义参数ψ＝ωC_sR，式中，ω为系统实际运行角频率，R为等效负载，根据方程式m₁ψ²+m₂ψ+m₃＝0求解得到参数ψ₁和参数ψ₂：

对于原边串联补偿拓扑而言：

式中，参数 为参数Z_θ的实部，为参数Z_θ的虚部，ω为系统实际运行角频率，Z₁₁为输入阻抗；

对于原边并联补偿或者LCL补偿拓扑而言：

其中，

式中，参数α₁＝1-ω²L_pC_p，参数β₁＝ωC_pR_p；

S5：定义并计算变量μ＝σ(n)_-1-σ(n)_-2，其中，

ε(n)_-i＝I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea-I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i

式中，I_inv ⁽ⁿ⁾ _-mea为I_inv的n次谐波有效值的测量值，I_inv ⁽ⁿ⁾ _-i为I_inv的n次谐波有效值的计算值，i＝1,2，n＝3,5...2k+1；

S6：判断是否满足μ＜0，如果是，则进入步骤S7，否则进入步骤S8；

S7：根据参数ψ₁计算负载R₁及互感M₁，完成负载与互感的识别；

S8：根据步骤S4计算参数ψ₂，进入步骤S9；

S9：根据参数ψ₂计算负载R₂及互感M₂，完成负载与互感的识别；

步骤S7中对于原边串联补偿拓扑而言：

负载互感

对于原边并联补偿拓扑而言：

负载互感：

步骤S9中对于原边串联补偿拓扑而言：

负载互感

对于原边并联以及LCL补偿拓扑而言：

负载互感：

2.根据权利要求1所述的副边并联补偿的IPT系统负载与互感参数识别方法，其特征在于，步骤S1中构建的副边并联补偿的IPT系统的参数满足以下关系：

式中，ω₀为系统原副边电路固有谐振角频率，S/P&P/P表示原边串联补偿、副边并联补偿和原边并联补偿、副边并联补偿，LCL/P表示原边LCL补偿、副边并联补偿。