CN109217493A - 无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法，包括以下步骤：步骤A：计算整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角与输入电流断续角；步骤B：求得整流桥输入电感的电流以及整流桥输入电压的基波分量表达式；步骤C：计算整流桥输入阻抗。

Description

无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统整流桥的输入阻抗计算方法。
背景技术
基于电磁感应原理的无线充电技术由于其安全、便捷的特点，在诸如电动汽车、移动设备、家用电器、嵌入式医疗等工业领域都有着广泛的应用。尤其是在电动汽车领域，相对于传统的有线充电方式，无线充电方式省去了充电线，适用于恶劣的天气和环境，且无需电气连接，避免了有线充电在插拔电插座时的电火花，大大提高了充电的安全性与可靠性。
在无线充电系统中，整流桥能将接收线圈接收到的高频交流电转化为直流电，并为负载进行供电。而在负载发生大范围变化时，整流桥有可能工作在断续模式。无线充电系统的整流桥断续工作模式指的是整流桥的输入电流在一个周期内发生断续的情况，研究该情况下的整流桥等效输入阻抗将有利于分析无线充电系统在宽负载变化范围下的系统输出特性。发明专利CN105322817 A“用于无线充电系统的单级整流和调节”提出了一种于无线功率接收器的整流和调节电路。发明专利CN207504649 U“一种无线充电装置”提出了一种采用快恢复二极管的整流电路。但上述发明均未涉及整流桥的输入阻抗计算方法。发明专利CN107979298 A“一种无线充电系统整流桥负载等效阻抗计算方法”提出了一种无线充电系统整流桥输入阻抗的计算方法，但该方案未考虑整流桥工作在断续模态下的情况。因此，需要一种整流桥断续工作模式下的输入阻抗计算方法，以分析负载在大范围变化时的系统工作特性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法。本发明能够针对无线充电系统宽负载范围工作状态下整流桥断续工作模式的等效输入阻抗进行计算，为无线充电系统的设计提供依据，同时为系统的参数估计与控制策略提供参考，有利于实现系统的安全稳定运行。
应用本发明整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法的无线充电系统包括无线能量发射线圈、无线能量接收线圈、副边串联电容、副边并联电容、整流桥输入电感、整流桥、滤波电容及负载；所述的无线能量发射线圈与无线能量接收线圈电磁耦合，无线能量接收线圈的输出端与副边串联电容的输入端连接，副边串联电容的输出端与副边并联电容的输入端及整流桥输入电感的输入端连接，副边并联电容的输出端与无线能量接收线圈的输出端及整流桥的输入端连接，整流桥输入电感的输出端与整流桥的输入端连接，整流桥的输出端与滤波电容的输入端连接，滤波电容的输出端与负载的输入端连接。
所述的无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法包含以下步骤：
步骤A：计算整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角与输入电流断续角；
步骤B：求得整流桥输入电感的电流及整流桥输入电压的基波分量表达式；
步骤C：计算整流桥输入阻抗。
所述的步骤A中，整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角θ为副边并联电容电压电压的过零点与整流桥输入电压的过零点之间的相位差，整流桥在断续工作模态下的输入电流断续角为整流桥输入电压过零点与整流桥输入电感电流的断续临界点之间的相位差。通过公式(1)计算整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角θ与输入电流断续角
其中，θ为输入电压滞后角，为输入电流断续角，ω为无线充电系统工作角频率，Ls为整流桥输入电感的值，RL为无线充电系统等效负载的值。
所述的步骤A中，整流桥输入电感的值Ls可采用阻抗分析仪在无线充电系统的工作频率处测量得到，无线充电系统等效负载值RL可由无线充电系统的负载电压除以负载电流得到。
所述的步骤B中，通过公式(2)计算整流桥输入电感的电流的基波分量，通过公式(3)计算整流桥输入电压的基波分量：
iLS(ωt)1＝acosωt+bsinωt (2)
ur(ωt)1＝a'cosωt+b'sinωt (3)
其中，
其中，iLS(ωt)1为整流桥输入电感的电流的基波分量，ur(ωt)1为整流桥输入电压的基波分量，a为iLS(ωt)1的余弦分量的系数，b为iLS(ωt)1的正弦分量的系数，a’为ur(ωt)1的余弦分量的系数，b’为ur(ωt)1的正弦分量的系数，θ为输入电压滞后角，为输入电流断续角，ω为无线充电系统工作角频率，t为无线充电系统在一个周期内的运行时间，且0≤t≤2π/ω，Ls为整流桥输入电感的值，US为副边并联电容电压uS的幅值。
所述的步骤C中，通过公式(4)计算整流桥输入阻抗的实部，通过公式(5)计算整流桥输入阻抗的虚部：
其中，Rr为整流桥输入阻抗的实部，Xr为整流桥输入阻抗的虚部，Ur_1为整流桥输入电压基波分量的幅值，ILS_1为整流桥输入电感电流的基波分量的幅值，为整流桥输入电压基波分量的相角，为整流桥输入电压基波分量的相角。
与现有的技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
1.实现了轻载时整流桥工作在断续模态下的等效输入阻抗的计算，拓宽了可计算的等效阻抗的范围；
2.对整流桥工作在断续模态下的等效输入阻抗的计算结果包含实部与虚部，描述了整流桥等效负载的感性特征，有利于无线充电系统参数的设计。
附图说明
图1本发明用于无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法的流程图；
图2应用本发明的无线充电系统电路图；
图3工作在断续模态下的整流桥输入输出电压、电流波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图2为应用本发明的无线充电系统电路图。如图2所示,Ud为直流输入电压，Cd为直流滤波电容，G1-G4为逆变器开关管，LP为逆变器输出电感，CPP与CPS为原边侧补偿电容，L1为原边线圈，R1为原边线圈内阻，L2为副边线圈，R2为副边线圈内阻，CSS与CSP为原边侧补偿电容，LS为整流桥输入电感，D1-D4为整流桥功率二极管，CL为整流桥输出滤波电容，RL为系统负载。直流输入电源Ud的输出端与直流滤波电容Cd的输入端连接，直流滤波电容Cd的输出端与逆变器G1-G4的输入端连接，逆变器G1-G4的输出端与逆变器输出电感LP的输入端连接，逆变器输出电感LP的输出端与原边补偿电容CPP、CPS的输入端连接，原边串联电容CPS的输出端与原边线圈L1连接，原边并联电容CPP的输出端与原边线圈L1及逆变器G1-G4输出端连接，原边线圈L1与副边线圈L2电磁耦合，副边线圈L2的输出端与副边串联电容CSS的输入端连接，副边串联电容CSS的输出端与副边并联电容CSP的输入端及整流桥输入电感LS的输入端连接，副边并联电容CSP的输出端与副边线圈L2的输出端及整流桥D1-D4的输入端连接，整流桥输入电感LS的输出端与整流桥D1-D4的输入端连接，整流桥D1-D4的输出端与整流桥输出滤波电容CL的输入端连接，整流桥输出滤波电容CL的输出端与负载RL的输入端连接。
本实施例基于图2所示的无线充电系统，计算工作在断续模态下的整流桥等效输入阻抗，具体步骤如下：
步骤A，通过公式(1)计算整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角与输入电流断续角，输入电流断续角输入电压滞后角θ如图3所示。在图3中，uS为副边并联电容电压，iLS为整流桥输入电感的电流，ur为整流桥输入电压，io为负载电流。
步骤B，通过公式(2)计算整流桥输入电感的电流的基波分量，通过公式(3)计算整流桥输入电压的基波分量。
步骤C，通过公式(4)计算整流桥输入阻抗的实部，通过公式(5)计算整流桥输入阻抗的虚部。

Claims (4)

1.一种无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法，应用所述整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法的无线充电系统包括无线能量发射线圈、无线能量接收线圈、副边串联电容、副边并联电容、整流桥输入电感、整流桥、滤波电容及负载；所述的无线能量发射线圈与无线能量接收线圈电磁耦合，无线能量接收线圈的输出端与副边串联电容的输入端连接，副边串联电容的输出端与副边并联电容的输入端及整流桥输入电感的输入端连接，副边并联电容的输出端与无线能量接收线圈的输出端及整流桥的输入端连接，整流桥输入电感的输出端与整流桥的输入端连接，整流桥的输出端与滤波电容的输入端连接，滤波电容的输出端与负载的输入端连接，其特征在于：所述的无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法包含以下步骤：
步骤A：计算整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角与输入电流断续角；
步骤B：求得整流桥输入电感的电流以及整流桥输入电压的基波分量表达式；
步骤C：计算整流桥输入阻抗。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法，其特征在于：所述的步骤A中，整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角θ为副边并联电容电压电压的过零点与整流桥输入电压的过零点之间的相位差，整流桥在断续工作模态下的输入电流断续角为整流桥输入电压过零点与整流桥输入电感电流的断续临界点之间的相位差，并通过下式计算整流桥在断续工作模态下的输入电压滞后角θ与输入电流断续角
其中，θ为输入电压滞后角，为输入电流断续角，ω为系统工作角频率，Ls为整流桥输入电感的值，RL为系统等效负载的值。
3.根据权利要求1所述的无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法，其特征在于：所述的步骤B中，整流桥输入电感的电流以及整流桥输入电压的基波分量表达式为：
iLS(ωt)1＝a cosωt+b sinωt
ur(ωt)1＝a'cosωt+b'sinωt
其中，
其中，iLS(ωt)1为整流桥输入电感的电流的基波分量，ur(ωt)1为整流桥输入电压的基波分量，a为iLS(ωt)1的余弦分量的系数，b为iLS(ωt)1的正弦分量的系数，a’为ur(ωt)1的余弦分量的系数，b’为ur(ωt)1的正弦分量的系数，θ为输入电压滞后角，为输入电流断续角，ω为系统工作角频率，t为无线充电系统在一个周期内的运行时间，且0≤t≤2π/ω，Ls为整流桥输入电感的值，US为为副边并联电容电压uS的幅值。
4.根据权利要求1所述的无线充电系统整流桥断续工作模式的输入阻抗计算方法，其特征在于：所述的步骤C中，整流桥输入阻抗通过下列关系式进行计算：
其中，Rr为整流桥输入阻抗的实部，Xr为整流桥输入阻抗的虚部，Ur_1为整流桥输入电压基波分量的幅值，ILS_1为整流桥输入电感电流的基波分量的幅值，为整流桥输入电压基波分量的相角，为整流桥输入电压基波分量的相角。
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