CN107565702A - 一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，属于无线电能传输领域。解决了现有技术中需要搭建实际的动态行车平台，来对动态无线供电系统进行实验论证和工况测试，从而导致方案论证阶段费时、费力的问题。本发明所述静态模拟方法通过控制静态无线充电装置的发射线圈L_p的电流模拟动态无线充电装置接收线圈开路电压，从而实现化动为静的模拟。本发明主要用于模拟动态无线供电。

Description

一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟 方法

技术领域

本发明属于无线电能传输领域。

背景技术

动态无线充电技术可以实现电动汽车行驶中的电池充电或直接驱动供电，对于提升电动汽车续航里程及能量利用效率具有非常积极的作用。在动态无线供电技术前期的研发中，研发人员需要搭建贴近实际汽车行车工况特性的实验测试平台，而实验台为了满足大功率、高速行车等测试需求，不得不投入大量的资金去建设满足测试要求的跑车场地、铺设相当长度的发射导轨，但是直接建设动态方式无线供电测试平台对于前期的方案论证是相当费时、费钱的，而且这种平台难以实现高速、全功率行车模拟，因此在前期研发论证阶段，亟需一种不需要搭建实际的动态行车平台也可以对动态无线供电系统进行功能性实验论证和工况测试的装置或方法。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中需要搭建实际的动态行车平台，来对动态无线供电系统进行实验论证和工况测试，从而导致方案论证阶段费时、费力的问题，本发明提供了一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法。

一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，该静态模拟方法是基于静态无线充电装置实现的，所述静态无线充电装置包括发射端和接收端，发射端和接收端进行磁耦合，且二者相对静止；

发射端包括可控电流激励源和发射线圈L_p；

接收端包括接收线圈L_s、1号补偿网络模块和车载调节变换器；

可控电流激励源用于给发射线圈L_p提供幅值变化的高频交流电流i_p，发射线圈L_p与接收线圈L_s间进行磁耦合，且发射线圈L_p与接收线圈L_s构成磁耦合器，接收线圈L_s的两端与1号补偿网络模块的电流输入端连接，1号补偿网络模块用于对接收线圈L_s产生的感应电流进行补偿，补偿后的电流通过车载调节变换器转化为直流电压，该直流电压用于对负载进行供电；

静态模拟方法通过控制静态无线充电装置的发射线圈L_p的电流模拟动态无线充电装置接收线圈开路电压，从而实现化动为静的模拟。

优选的是，所述高频交流电流i_p的变化规律通过对动态无线充电装置的仿真或1个单元的磁耦合器实验获得。

优选的是，所述的可控电流激励源包括电容C_d、H桥逆变器、LCC补偿网络、电流传感器和主控制器；

电容C_d的两端与H桥逆变器的直流电压输入端连接，H桥逆变器用于对接收的直流电转化为交流电，H桥逆变器的交流电压输出端与LCC补偿网络的电压输入端连接，LCC补偿网络的电压输出端与发射线圈L_p的两端连接；

电容C_d的两端还用于接收经整流后的电网电压；

电流传感器用于采集发射线圈L_p产生的幅值变化的高频交流电流i_p，且电流传感器的数据信号输出端与主控制器的数据信号输出端连接；主控制器根据接收的数据信号，生成控制信号对H桥逆变器进行控制。

优选的是，所述LCC补偿网络用于对接收的电流的幅值进行调节。

优选的是，所述的LCC补偿网络输出的电流为高频正弦电流。

优选的是，所述的H桥逆变器输出的电流为交流方波。

优选的是，所述的LCC补偿网络包括电感L_p1、电容C_p和电容C_p1；

电感L_p1的一端与H桥逆变器的一个交流输出端连接，电感L_p1的另一端与电容C_p的一端和电容C_p1的一端同时连接，电容C_p的另一端与发射线圈L_p的一端连接，电容C_p1的另一端与H桥逆变器的另一个交流输出端和发射线圈L_p的另一端同时连接。

优选的是，所述主控制器包括参考电流生成模块、减法器、PI控制器和调制器；

参考电流生成模块将生成的参考电流发送至减法器的被减数输入端，减法器的减数输入端用于接收电流传感器发出的数据信号，减法器输出的数据信号发送至PI控制器进行PI调节后，PI控制器输出的控制信号送入调制器的信号输入端，调制器对接收的信号进行占空比调制，生成的控制信号用于对H桥逆变器进行控制。

本发明采用的具体手段是抽取磁耦合机构的互感空间分布特性，参照动态充电空间行驶轨迹和行车速度映射得到互感时间分布特性，在静态平台上控制发射导轨的交流激励电流幅值以模拟互感时间分布规律，从而实现动态行车无线供电的静态装置模拟。图3为传统动态实物平台方案和本发明所述静态无线充电装置的关键变量波形对比图；图3中的两种实验方法在接收端得到了相同的实验效果。

本发明带来的有益效果是：1、本发明可以显著提高电动汽车动态无线供电系统的研发效率，不需要在研发前期就搭建实际的跑车实验场地，可以对动态无线供电系统进行功能性实验论证和工况测试；2、利用本发明所述的模拟平台“化动为静”，可以使用更为紧凑的静态方式磁耦合机构来模拟全功率、全速的动态无线供电特性。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的结构示意图；

图2为可控电流激励源的结构示意图；

图3为传统动态实物平台方案和本发明所述的静态模拟方法的关键波形对比图；其中，(a)表示动态实物平台发射线圈电流恒流波形图，其中，i_p0表示恒流幅值，T₀表示时间长度；(b)表示静态模拟方法中发射线圈电流波形图，(c)表示时间刻度放大下的动态实物平台发射线圈电流恒流波形图，(d)表示时间刻度放大下的静态模拟方法中发射线圈电流波形图(e)表示动态实物平台互感空间分布波形图；M表示发射线圈L_p与接收线圈L_p间的互感，X0表示空间距离，M0表示互感额定值，(f)表示静态模拟方法中互感空间恒定分布波形图；(g)表示接收线圈开路电压波形图。

图4为本发明所述的静态模拟方法模拟的四种动态实物平台的互感空间分布特性图；其中，(a)表示动态实物平台一种互感空间分布特性图；(b)表示动态实物平台一种互感空间分布特性图；(c)表示动态实物平台一种互感空间分布特性图；(d)表示动态实物平台一种互感空间分布特性图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，该静态模拟方法是基于静态无线充电装置实现的，所述静态无线充电装置包括发射端和接收端，发射端和接收端进行磁耦合，且二者相对静止；

发射端包括可控电流激励源1和发射线圈L_p；

接收端包括接收线圈L_s、1号补偿网络模块2和车载调节变换器3；

可控电流激励源1用于给发射线圈L_p提供幅值变化的高频交流电流i_p，发射线圈L_p与接收线圈L_s间进行磁耦合，且发射线圈L_p与接收线圈L_s构成磁耦合器1-3，接收线圈L_s的两端与1号补偿网络模块2的电流输入端连接，1号补偿网络模块2用于对接收线圈L_s产生的感应电流进行补偿，补偿后的电流通过车载调节变换器3转化为直流电压，该直流电压用于对负载4进行供电；

静态模拟方法通过控制静态无线充电装置的发射线圈L_p的电流模拟动态无线充电装置接收线圈开路电压，从而实现化动为静的模拟。

在具体工作过程中，发射端和接收端的相对位置不发生变化；发射线圈L_p和接收线圈L_s均正对静置放置，接收线圈L_s的两端的开路电压跟随高频交流电流i_p的变化而变化，发射线圈L_p产生的幅值变化的高频交流电流i_p可由磁耦合器互感空间分布特性决定，磁耦合器互感空间分布特性的参数提取可以使用场仿真软件或者实物测量完成。

本实施方式中，本发明所提供的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，使用静置磁耦合器去仿真动态无线供电，静置的磁耦合器其互感是恒定不变的，动态无线供电中互感是随行车空间位置变化的。为了使静置磁耦合器接收端开路电压等效动态装置的响应电压，需要控制发射端交流激励电流源的电流幅值，根据电流幅值的变化贴合互感变化的趋势，这样“化动为静”，完成了动态无线供电的静态装置模拟。

接收线圈L_s的开路电压V_OC表达式为：

其中，ω为发射线圈L_p与接收线圈L_s相对运动的角速度；

M₀为发射线圈L_p与接收线圈L_s中心线重合时的互感值；

τ_M(x)为发射线圈L_p与接收线圈L_s间的互感在x轴的分布函数；

μ_I(x)为发射线圈L_p产生的电流在x轴的分布函数。

通过本发明所述的静态模拟方法模拟的四种动态实物平台的互感空间分布特性图；具体参见图4；当参考电流生成模块的参考值由图4(a)给出时，其互感取值为峰值点相距较远且中间存在零点，先由图4(a)的互感空间分布特性τ_M(x)得到μ_I(x)，参考值即为i_p0·μ_I(x)。

当参考电流生成模块的参考值由图4(b)给出时，互感取值为峰值点相距较近且中间不存在零点，先由图4(b)的互感空间分布特性τ_M(x)得到μ_I(x)，参考值即为i_p0·μ_I(x)。

当参考电流生成模块的参考值由图4(c)给出时，中间段互感取值波动率小，先由图4(c)的互感空间分布特性τ_M(x)得到μ_I(x)，参考值即为i_p0·μ_I(x)。

当参考电流生成模块的参考值由图4(d)给出时，互感取值按照三角函数波形分布，先由图4(d)的互感空间分布特性τ_M(x)得到μ_I(x)，参考值即为i_p0·μ_I(x)。

具体实施方式二：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述高频交流电流i_p的变化规律通过对动态无线充电装置的仿真或1个单元的磁耦合器实验获得。

具体实施方式三：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述的可控电流激励源1包括电容C_d、H桥逆变器1-1、LCC补偿网络1-2、电流传感器和主控制器1-4；

电容C_d的两端与H桥逆变器1-1的直流电压输入端连接，H桥逆变器1-1用于对接收的直流电转化为交流电，H桥逆变器1-1的交流电压输出端与LCC补偿网络1-2的电压输入端连接，LCC补偿网络1-2的电压输出端与发射线圈L_p的两端连接；

电容C_d的两端还用于接收经整流后的电网电压；

电流传感器用于采集发射线圈L_p产生的幅值变化的高频交流电流i_p，且电流传感器的数据信号输出端与主控制器1-4的数据信号输出端连接；主控制器1-4根据接收的数据信号，生成控制信号对H桥逆变器1-1进行控制。

本实施方式，通过H桥逆变器1-1将电容C_d两端的电压变换成交流方波电压源，交流方波电压源通过LCC补偿网络1-2变换成交流(正弦)电流源，通过H桥逆变器(1-1)的移相角控制可以控制交流电流源的幅值，让交流电流幅值的时域特性贴合所模拟的实际行车中互感时域特性，如此实现了动态无线供电的电气特性模拟。

本实施方式的主控制器1-4需要对发射线圈L_p的电流进行采样，同时根据发射线圈L_p的电流控制规律给定电流值，两者作差后送入PI控制器和调制器，最后生成四路驱动信号控制H桥逆变器1-1。

所述的主控制器1-4的电流控制规律为发射线圈L_p电流幅值是互感空间分布特征的时域映射。

具体实施方式四：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述LCC补偿网络1-2用于对接收的电流的幅值进行调节。

具体实施方式五：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述的LCC补偿网络1-2输出的电流为高频正弦电流。

具体实施方式六：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述的H桥逆变器1-1输出的电流为交流方波。

具体实施方式七：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述的LCC补偿网络1-2包括电感L_p1、电容C_p和电容C_p1；

电感L_p1的一端与H桥逆变器1-1的一个交流输出端连接，电感L_p1的另一端与电容C_p的一端和电容C_p1的一端同时连接，电容C_p的另一端与发射线圈L_p的一端连接，电容C_p1的另一端与H桥逆变器1-1的另一个交流输出端和发射线圈L_p的另一端同时连接。

具体实施方式八：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法的区别在于，所述主控制器1-4包括参考电流生成模块1-4-1、减法器1-4-2、PI控制器1-4-3和调制器1-4-4；

参考电流生成模块1-4-1将生成的参考电流发送至减法器1-4-2的被减数输入端，减法器1-4-2的减数输入端用于接收电流传感器发出的数据信号，减法器1-4-2输出的数据信号发送至PI控制器1-4-3进行PI调节后，PI控制器1-4-3输出的控制信号送入调制器1-4-4的信号输入端，调制器1-4-4对接收的信号进行占空比调制，生成的控制信号用于对H桥逆变器1-1进行控制。

Claims (8)

1.一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，该静态模拟方法是基于静态无线充电装置实现的，所述静态无线充电装置包括发射端和接收端，发射端和接收端进行磁耦合，且二者相对静止；

发射端包括可控电流激励源(1)和发射线圈L_p；

接收端包括接收线圈L_s、1号补偿网络模块(2)和车载调节变换器(3)；

可控电流激励源(1)用于给发射线圈L_p提供幅值变化的高频交流电流i_p，发射线圈L_p与接收线圈L_s间进行磁耦合，且发射线圈L_p与接收线圈L_s构成磁耦合器(1-3)，接收线圈L_s的两端与1号补偿网络模块(2)的电流输入端连接，1号补偿网络模块(2)用于对接收线圈L_s产生的感应电流进行补偿，补偿后的电流通过车载调节变换器(3)转化为直流电压，该直流电压用于对负载(4)进行供电；

其特征在于，静态模拟方法通过控制静态无线充电装置的发射线圈L_p的电流模拟动态无线充电装置接收线圈开路电压，从而实现化动为静的模拟。

2.根据权利要求1所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述高频交流电流i_p的变化规律通过对动态无线充电装置的仿真或1个单元的磁耦合器实验获得。

3.根据权利要求1所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述的可控电流激励源(1)包括电容C_d、H桥逆变器(1-1)、LCC补偿网络(1-2)、电流传感器和主控制器(1-4)；

电容C_d的两端与H桥逆变器(1-1)的直流电压输入端连接，H桥逆变器(1-1)用于对接收的直流电转化为交流电，H桥逆变器(1-1)的交流电压输出端与LCC补偿网络(1-2)的电压输入端连接，LCC补偿网络(1-2)的电压输出端与发射线圈L_p的两端连接；

电容C_d的两端还用于接收经整流后的电网电压；

电流传感器用于采集发射线圈L_p产生的幅值变化的高频交流电流i_p，且电流传感器的数据信号输出端与主控制器(1-4)的数据信号输出端连接；主控制器(1-4)根据接收的数据信号，生成控制信号对H桥逆变器(1-1)进行控制。

4.根据权利要求3所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述LCC补偿网络(1-2)用于对接收的电流的幅值进行调节。

5.根据权利要求3所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述的LCC补偿网络(1-2)输出的电流为高频正弦电流。

6.根据权利要求3所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述的H桥逆变器(1-1)输出的电流为交流方波。

7.根据权利要求3所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述的LCC补偿网络(1-2)包括电感L_p1、电容C_p和电容C_p1；

电感L_p1的一端与H桥逆变器(1-1)的一个交流输出端连接，电感L_p1的另一端与电容C_p的一端和电容C_p1的一端同时连接，电容C_p的另一端与发射线圈L_p的一端连接，电容C_p1的另一端与H桥逆变器(1-1)的另一个交流输出端和发射线圈L_p的另一端同时连接。

8.根据权利要求3所述的一种基于接收端开路电压等效的动态无线供电的静态模拟方法，其特征在于，所述主控制器(1-4)包括参考电流生成模块(1-4-1)、减法器(1-4-2)、PI控制器(1-4-3)和调制器(1-4-4)；

参考电流生成模块(1-4-1)将生成的参考电流发送至减法器(1-4-2)的被减数输入端，减法器(1-4-2)的减数输入端用于接收电流传感器发出的数据信号，减法器(1-4-2)输出的数据信号发送至PI控制器(1-4-3)进行PI调节后，PI控制器(1-4-3)输出的控制信号送入调制器(1-4-4)的信号输入端，调制器(1-4-4)对接收的信号进行占空比调制，生成的控制信号用于对H桥逆变器(1-1)进行控制。