CN108512273B - 基于变频移相控制的ss谐振无线电能传输系统参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法，包括以下步骤：在蓄电池恒流充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在预设电压增益带内为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池整个充电过程中，以SS谐振无线电能传输系统的品质因数大于预设值作为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件；将各边界条件的交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围，该方法基于变频移相控制进行SS谐振无线电能传输系统的参数设计，并且能够满足蓄电池两段式充电特点。

Description

基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法
技术领域
本发明涉及一种SS谐振无线电能传输系统参数设计方法，具体涉及一种基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法。
背景技术
无线电能传输技术依照其实现原理可分为近场与远场两大类。近场技术易于实现更高的效率和更大的功率，因而被广泛的应用于电动汽车、智能设备、机器人、无人机、植入式医疗等设备的无线充电。尤其在电动汽车的无线充电中，充电功率高，电磁干扰大，因此在大功率无线充电应用中成为研究热点。在对常用的蓄电池进行两段式充电时，无线充电机对其充电特性有以下几个需求：
1)恒定的充电电流。蓄电池充电过程的第一阶段是恒流充电，充电器以最大蓄电池能够承受的电流对蓄电池进行恒流充电，蓄电池充电电压逐渐上升。
2)恒定的充电电压。蓄电池充电过程的第二阶段是恒压充电，充电器以最高蓄电池能够承受的电压对蓄电池进行恒压充电，蓄电池充电电流逐渐减小直至浮充状态。
3)合理的工作频率区间。在蓄电池全范围充电时，逆变器的工作频率区间需要存在，且设置合理，利于系统的可靠稳定运行。
4)合理的品质因数。在蓄电池全范围充电时，为确保系统可靠运行和较高的传输效率，谐振网络的品质因数需要在一个合理范围之内。
由于对蓄电池进行充电时原副边线圈位置已固定，故在整个充电过程中可将系统两谐振线圈的耦合系数视为定值，且蓄电池在充电过程中电压电流随时间不断变化，故可将其充电过程视为一个随时间变化的可变电阻，在无线电能传输过程中负载电阻的变化将对系统的各项输出特性产生影响，同时为了系统运行在合理的工作频率区间内，需要一套合理的谐振网络参数，使无线电能传输系统在蓄电池两段式充电曲线下，满足相应的传输特性。然而目前的参数设计方法仅针对固定的负载电阻或根据经验选取谐振网络参数。变频移相控制策略时通过调节逆变器的频率和移相角从而改变激励谐振网络的激励，从而改变蓄电池的充电电压和充电电流，这种控制方法具有优良的特性。尚未有将变频移相控制策略和蓄电池的上述充电特性结合起来的谐振网络参数设计方法的论述。
因此，需要一种能够将变频移相控制策略和蓄电池两段式充电特性相结合的谐振网络参数设计方法，从而同时实现以上四个需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法，该方法基于变频移相控制进行SS谐振无线电能传输系统的参数设计，并且能够满足蓄电池两段式充电特点，并能够获得较高的传输效率。
为达到上述目的，本发明所述的基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法包括以下步骤：
在蓄电池恒流充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在预设电压增益带内为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池整个充电过程中，以SS谐振无线电能传输系统的品质因数大于预设值作为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件；将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件及第三边界条件的交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。
谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：考虑无线电能传输效率，SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的互导增益大于蓄电池恒流充电时蓄电池充电电流与逆变器输入直流电压之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，逆变器的输入直流电压由前级电源模块确定。
谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件为：以蓄电池恒压充电时的充电电压与逆变器输入直流电压之比为参考设置预设值Kcv，考虑无线电能传输效率，设定SS谐振无线电能传输系统的理想电压增益范围为Kcvmin～Kcvmax，其中，Kcvmin大于等于Kcv，SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在Kcvmin～Kcvmax的范围内。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法在具体操作时，将变频移相控制策略与蓄电池两段式充电特性相结合，获取蓄电池在恒流充电阶段中耦合线圈电感的第一边界条件，同时获取蓄电池在恒压充电阶段中耦合线圈电感的第二边界条件，再以蓄电池全范围充电下的谐振网络的品质因数下限值作为第三边界条件，最终以各边界条件的交集作为耦合线圈电感值的取值范围，在所有限定条件满足下，选择合适的耦合电感值，从而保证在系统进行变频移相控制时，能够满足蓄电池的恒压恒流两段式充电，同时进一步提高系统的传输效率。
附图说明
图1为本发明中SS谐振无线电能传输系统的结构图；
图2为蓄电池两段式充电曲线图；
图3为系统互导增益随逆变器标幺化开关频率的变化图；
图4为系统电压增益随逆变器标幺化开关频率的变化图；
图5为实施例一中得到的耦合电感值的边界条件图；
图6a为实施例一中耦合系数为0.2、系统运行于RBT＝8Ω时蓄电池进行恒流充电时的工作波形图；
图6b为实施例一中耦合系数为0.2、系统运行于RBT＝18Ω时蓄电池进行恒流充电时的工作波形图；
图7a为实施例一中耦合系数为0.15、系统运行于RBT＝20Ω时蓄电池进行恒压充电时的工作波形图；
图7b为实施例一中耦合系数为0.15、系统运行于RBT＝72Ω时蓄电池进行恒压充电时的工作波形图；
图8为实施例一中副边谐振网络的品质因数上下限随蓄电池等效负载电阻的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法包括以下步骤：
在蓄电池恒流充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在预设电压增益带内为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池整个充电过程中，以SS谐振无线电能传输系统的品质因数大于预设值作为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件；将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件及第三边界条件的交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围。
谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：考虑无线电能传输效率，SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的互导增益大于蓄电池恒流充电时蓄电池充电电流与逆变器输入直流电压之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，逆变器的输入直流电压由前级电源模块确定。
谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件为：以蓄电池恒压充电时的充电电压与逆变器输入直流电压之比为参考设置预设值Kcv，考虑无线电能传输效率，设定SS谐振无线电能传输系统的理想电压增益范围为Kcvmin～Kcvmax，其中，Kcvmin大于等于Kcv，SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在Kcvmin～Kcvmax的范围内。
实施例一
参见图1，以250W小功率充电平台为例，前级80V电压源经过逆变器，将直流电逆变产生高频交流方波电压驱动发射侧谐振网络，发射侧谐振网络产生高频电磁场，接收侧谐振网络感应高频电磁场产生高频交流电压，在经过整流器整流后最终给蓄电池充电。
参考图2，充电电流保持不变，充电电压随时间逐渐上升，在B-C段进行恒压充电，充电电压保持不变，充电电流随时间逐渐减小，两种情况下蓄电池的等效电阻均逐渐增大；
参考图3，当逆变器的工作频率等于谐振网络的谐振频率时(A点)，系统的互导增益保持恒定，且不随负载电阻的变化而变化。除了谐振频率点(A点)之外，系统的互导增益随着负载电阻的增大逐渐降低；当蓄电池的等效负载电阻为蓄电池恒流充电阶段最大的等效负载电阻，系统的充电电流为4A时，此时系统充电增益Kcc为0.05。因此，在蓄电池恒流充电阶段，蓄电池等效电阻值从RBTA逐渐增加到RBTB，为了确保系统能够在蓄电池整个恒流充电阶段都能够存在合适的工作频率区间并且考虑传输效率问题，所以在系统互导增益的恒流增益点必须要大于系统的充电增益ηiv×Kcc，其中，ηiv为系统损耗系数，一般大于1。从而使得系统能够存在频率与占空比的组合，使得系统的互导增益等于系统的充电增益Kcc。从而得到满足要求的系统互导增益时不同耦合系数下耦合线圈电感值的边界条件。
参考图4，当逆变器的工作频率等于谐振网络固定电压增益点(ωcvL，ωcvH)的谐振频率时，系统的电压增益保持恒定，且不随负载电阻的变化而变化；除了固定电压增益点之外，系统的电压增益随着负载电阻的增大逐渐增大。当蓄电池等效负载电阻为蓄电池恒压充电阶段最小的等效负载电阻，系统的充电电压为72V时，此时系统的充电增益Kcv为0.9。因此在蓄电池恒压充电阶段，蓄电池的等效电阻值从RBTB逐渐增加到RBTC，为确保系统能够在蓄电池整个恒压充电阶段都能够存在合适的工作频率区间，所以系统在恒定电压增益点必须要大于系统充电增益Kcv下限值Kcvmin；为保证在蓄电池等效负载电阻RBT最小时，都存在合适的工作频率区间，恒定电压增益点需要小于Kcv的上限值Kcvmax，从而得到满足要求的系统电压增益时不同耦合系数下耦合线圈电感值的边界条件。
为了说明本发明的有效性，利用表1的系统设计指标对SS谐振的无线电能传输系统参数进行设计。
表1
Figure BDA0001626814130000071
依照上述参数设计方法得到的耦合电感值的边界条件参见图5，在满足蓄电池恒流充电时，原副边电感量需要在反比例函数曲线之下，这对应着本发明中的第一边界条件；在满足蓄电池恒压充电条件时，原副边电感量需要满足在两条过原点的直线之间，这对应着本发明中的第二边界条件；在蓄电池全范围充电时，副边的谐振品质因数需要满足大于预设的负载最小品质因数，这对应这本发明中的第三边界条件；经过多个条件的约束从而可得：原边线圈电感量和副边线圈电感量的取值范围为图中阴影部分区域。
参考图5的电感值取值范围，搭建实验装置，原边谐振电感L1为118.43μH、副边谐振电感L2为118.55μH、原边谐振电容C1为29.92nF、副边谐振电容C2为29.88nF；在蓄电池两段式充电曲线上，在耦合系数为0.2时，系统运行于RBT＝8Ω与RBT＝18Ω进行恒流充电时，对应系统工作波形参见图6a及图6b。在耦合系数为0.15时，系统运行于RBT＝20Ω和RBT＝72Ω进行恒压充电时，对应系统工作波形参见图7a及图7b。在不同的耦合系数下，系统全范围充电时，品质因数的上下限随蓄电池等效负载电阻的变化关系参见图8，系统最小品质因数为1.12，满足设计需求。

Claims (1)

1.一种基于变频移相控制的SS谐振无线电能传输系统参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
在蓄电池恒流充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的最小互导增益为谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件；在蓄电池恒压充电阶段，以SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在预设电压增益带内为谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件；在蓄电池整个充电过程中，以SS谐振无线电能传输系统的品质因数大于预设值作为谐振网络中耦合线圈电感的第三边界条件；将谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件、第二边界条件及第三边界条件的交集作为谐振网络中耦合线圈电感值的取值范围；
谐振网络中耦合线圈电感的第一边界条件为：考虑无线电能传输效率，SS谐振无线电能传输系统在谐振频率处的互导增益大于蓄电池恒流充电时蓄电池充电电流与逆变器输入直流电压之比，蓄电池的最大充电电流由蓄电池本身特性决定，逆变器的输入直流电压由前级电源模块确定；
谐振网络中耦合线圈电感的第二边界条件为：以蓄电池恒压充电时的充电电压与逆变器输入直流电压之比为参考设置预设值Kcv，考虑无线电能传输效率，设定SS谐振无线电能传输系统的理想电压增益范围为Kcvmin～Kcvmax，其中，Kcvmin大于等于Kcv，SS谐振无线电能传输系统在恒压增益点处的电压增益在Kcvmin～Kcvmax的范围内。
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