CN110752678B - 一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法 - Google Patents

一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法。本发明主要是通过辅助线圈以及在电路中接入的解耦变压器来获得副边电流的相位。在此基础之上，基于SS补偿拓扑建立磁耦合无线电能传输系统电路模型，得到副边谐振状态与相关电路参数间关系的数学描述，通过求解数学方程完成在线的谐振状态估计。本发明无需直接测量耦合机构中器件两端的高频大电压，更加安全。同时，本发明提出的算法复杂度低，运算时间短且误差较小。此外，本发明不仅能够实现离线状态下的副边虚部估计，还能够实现动态无线电能传输系统的副边虚部估计，极大地提高方法的实用性。

Description

一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，是一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法。
背景技术
发展电动汽车是当今世界对低碳经济的需求。随着地方政府各项优惠政策的推动，电动汽车的产量正快速增长，对充电桩设施的需求也越来越大。而新兴的电动汽车无线充电技术凭借安全、方便的特点，成为一个重要的发展方向。电动汽车无线充电技术省去了连接电缆和插头，不会担心连接不紧密的问题，这样既保证了系统的密封性，即使在恶劣的环境下也不会影响工作，又使得用户可以自行通过系统界面进行充电操作。此外，它能为充电系统提供一个天然的电气隔离，提高了无线充电系统的安全性。设计一套性能高、可靠性好的电动汽车无线充电系统，涉及到电力电子技术、自动控制理论、电池管理技术等不同领域的技术，因此也受到了学术界的广泛关注。
在WPT系统中，为了保证较高的电能传输功率和效率，通常采用静态补偿电容来实现谐振。然而由于器件公差问题，系统通常无法精确配谐。同时WPT系统在实际运行过程中，器件的老化以及温度变化将会引起参数变化，进而导致WPT系统谐振点发生漂移，使WPT系统处于失谐状态，从而进一步影响系统传输功率和传输效率，严重情况将会导致系统效率较低甚至无法正常工作。因此，WPT系统的副边谐振状态估计技术是保证磁耦合无线电能传输系统高性能运行的关键技术问题之一。
目前，已有一些国内外学者对无线电能传输技术中的副边谐振状态估计方法开展了研究。其中：
文献“Xin L,Tianfeng W,Xijun Y,et al.Analysis and Design of a WirelessPower Transfer System with Dual Active Bridges[J].Energies,2017,10(10):1588-.”采用实时检测电路中电容与电感两端的电压来获得当前系统的谐振状态，由于高频电路中电容和线圈两端的电压较大，会造成测量难度大的问题，同时大电压的测量存在安全隐患。此外，高频大电压的测量也存在测量精度的问题；
文献“麦瑞坤,徐丹露,杨鸣凯,etal.基于最小电流比值的IPT系统频率跟踪的动态调谐方法[J].电工技术学报,2018.”通过扰动观测法，通过获得原副边最小电流比来获得当前副边虚部状态，问题在于其调整到副边谐振状态需要一定时间，响应速度较慢。此外，不断的扰动也使得系统的稳定度降低；
文献“Mai R,Liu Y,Li Y,et al.An Active Rectifier Based MaximumEfficiency Tracking Method Using an Additional Measurement Coil for WirelessPower Transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017:1-1.”通过在副边加入一个辅助线圈来实现对副边谐振状态的估计，该方法灵活的解决了上两个文献中的问题，但将辅助线圈放置在系统副边使其车载端的系统变更加复杂，同时也增加了副边设备的重量和体积。
综上所述，上述技术在进行副边虚部估计时皆存在测量精度低、系统稳定性低、副边系统复杂度增加的问题。
发明内容
本发明为获得副边虚部状态，本发明提供了一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统，所述系统包括直流电压源Ubus、移相H桥逆变器、原边线圈内阻Rp、副边线圈内阻Rs、原边谐振腔、副边谐振腔、整流桥、解耦变压器、原边电容Cbus、副边电容Cout和负载电阻RL；
所述移相H桥逆变器包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4，所述开关管Q1与Q2串联，所述开关管Q3和Q4串联，同时开关管Q3和Q4同时并联在所述开关管Q1与Q2的两端，所述开关管Q1与Q2并联在直流电压源Ubus的两端；同时所述原边电容Cbus并联在直流电压源Ubus的两端；
所述整流桥包括上部和下部，所述上部包括二极管D1和D3，所述下部包括二极管D2和D4，所述二极管D1与二极管D2串联，所述二极管D3和二极管D4串联，并且所述二极管D3和二极管D4并联在二极管D1与二极管D2的两端；同时所述二极管D3和二极管D4并联在负载电阻RL的两端，副边电容Cout并联在负载电阻RL的两端；
所述解耦变压器包括一次侧电感LTP和二次侧电感LTM，一次侧电感LTP和二次侧电感LTM互感；
所述原边谐振腔包括原边线圈Lp和原边补偿电容Cp，原边线圈Lp和原边补偿电容Cp串联，所述原边线圈内阻Rp一端连接串联的开关管Q1与Q2的中间节点，所述原边线圈内阻Rp的另一端连接串联的原边线圈Lp和原边补偿电容Cp，同时原边线圈Lp和原边补偿电容Cp串联一次侧电感LTP的一端，一次侧电感LTP的另一端连接串联的开关管Q3和Q4的中间节点；
所述副边谐振腔包括副边线圈Ls和副边补偿电容Cs，副边线圈Ls和副边补偿电容Cs串联，所述副边线圈内阻Rs一端连接串联的二极管D1与二极管D2的中间节点，所述副边线圈内阻Rs的另一端连接串联的副边线圈Ls和副边补偿电容Cs，同时串联的副边线圈Ls和副边补偿电容Cs连接二极管D3和二极管D4的中间节点。
优选地，还包括辅助线圈Lm，所述辅助线圈Lm的一端连接所述二次侧电感LTM的一端。
一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，包括以下步骤：
步骤1：采样原边电路的线圈电流，确定原边电流和副边电流的相位关系；
步骤2：将辅助线圈与原边线圈同向绕制在一起，测量此时辅助线圈与原边线圈、辅助线圈与副边线圈的互感并分别记录为M2和M3，确定原边电流和副边电流在辅助线圈Lm上感应出的电压
步骤3：在原边电路中接入一个解耦变压器，使得所述变压器的互感等于M2，抵消掉原边电流在辅助线圈中产生的电压，所述解耦变压器和辅助线圈组成了辅助解耦器，辅助解耦器两端中只存在副边电流感应出的感应电压根据副边电流确定辅助解耦器两端的电压和原边电流的关系；
步骤4：比较辅助解耦器两端的电压和原边电流的相位得到相位差δ，通过计算得到整流桥的交流等效负载后，得到副边虚部估计值，多次计算得到副边虚部估计值的平均值。
优选地，所述步骤1具体为：
原边谐振腔由原边线圈Lp和原边补偿电容Cp组成，副边谐振腔由副边线圈Ls和副边补偿电容Cs组成，M1则为原边线圈与副边线圈间的互感，采样原边电路的线圈电流，确定原边电流和副边电流的相位关系，通过下式确定原边电流和副边电流的相位关系：
其中，为原边电流，为副边电流，M1为原边线圈与副边线圈间的互感值，ω为工作频率，Re为整流桥的交流等效负载，δ为相位差，Xs为副边虚部值，RS为副边线圈内阻。
优选地，所述步骤2具体为：
步骤2.1：将辅助线圈与原边线圈同向绕制在一起，测量此时辅助线圈与原边线圈、辅助线圈与副边线圈的互感并分别记录为M2和M3；
步骤2.2：确定原边电流和副边电流在辅助线圈Lm上感应出的电压通过下式表示
其中，为原边线圈Lp和副边电流在辅助线圈Lm上感应出的电压。
优选地，所述步骤3具体为：
步骤3.1：原边接入的解耦变压器，使得所述变压器的互感等于M2，抵消掉原边电流在辅助线圈中产生的电压；
步骤3.2：所述解耦变压器和辅助线圈组成了辅助解耦器，辅助解耦器两端中只存在副边电流感应出的感应电压确定解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压通过下式表示解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压
其中，为解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压，MT为解耦变压器的互感指标；
步骤3.3：根据副边电流确定辅助解耦器两端的电压和原边电流的关系，通过下式确定辅助解耦器两端的电压和原边电流的关系：
优选地，所述步骤4具体为：
步骤4.1：比较辅助解耦器两端的电压和原边电流的相位得到相位差δ；
步骤4.2：采用电压电流采样电路对原边电流和辅助解耦器两端电压进行测量，再通过计算得到整流桥的交流等效负载，通过阻抗关系计算得到副边虚部值Xs，通过下式表示副边虚部值Xs：
步骤4.3：多次计算副边虚部值，得到副边虚部估计值的平均值。
本发明具有以下有益效果：
本发明无需直接测量耦合机构中器件两端的高频大电压，更加安全。同时，本发明提出的算法复杂度低，运算时间短且误差较小。此外，本发明不仅能够实现离线状态下的副边虚部估计，还能够实现动态无线电能传输系统的副边虚部估计，极大地提高方法的实用性。
附图说明
图1是基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统结构图；
图2是加入辅助线圈后的原边电路图；
图3是基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统参数间相位关系图；
图4是一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
按照图1和图2所示，本发明提供一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统，其特征是：所述系统包括直流电压源Ubus、移相H桥逆变器、原边线圈内阻Rp、副边线圈内阻Rs、原边谐振腔、副边谐振腔、整流桥、解耦变压器、原边电容Cbus、副边电容Cout和负载电阻RL；
所述移相H桥逆变器包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4，所述开关管Q1与Q2串联，所述开关管Q3和Q4串联，同时开关管Q3和Q4同时并联在所述开关管Q1与Q2的两端，所述开关管Q1与Q2并联在直流电压源Ubus的两端；同时所述原边电容Cbus并联在直流电压源Ubus的两端；
所述整流桥包括上部和下部，所述上部包括二极管D1和D3，所述下部包括二极管D2和D4，所述二极管D1与二极管D2串联，所述二极管D3和二极管D4串联，并且所述二极管D3和二极管D4并联在二极管D1与二极管D2的两端；同时所述二极管D3和二极管D4并联在负载电阻RL的两端，副边电容Cout并联在负载电阻RL的两端；
所述解耦变压器包括一次侧电感LTP和二次侧电感LTM，一次侧电感LTP和二次侧电感LTM互感；
所述原边谐振腔包括原边线圈Lp和原边补偿电容Cp，原边线圈Lp和原边补偿电容Cp串联，所述原边线圈内阻Rp一端连接串联的开关管Q1与Q2的中间节点，所述原边线圈内阻Rp的另一端连接串联的原边线圈Lp和原边补偿电容Cp，同时原边线圈Lp和原边补偿电容Cp串联一次侧电感LTP的一端，一次侧电感LTP的另一端连接串联的开关管Q3和Q4的中间节点；
所述副边谐振腔包括副边线圈Ls和副边补偿电容Cs，副边线圈Ls和副边补偿电容Cs串联，所述副边线圈内阻Rs一端连接串联的二极管D1与二极管D2的中间节点，所述副边线圈内阻Rs的另一端连接串联的副边线圈Ls和副边补偿电容Cs，同时串联的副边线圈Ls和副边补偿电容Cs连接二极管D3和二极管D4的中间节点。本系统还包括辅助线圈Lm，所述辅助线圈Lm的一端连接所述二次侧电感LTM的一端。
根据图3和图4所示，本发明还提供一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，
步骤1：采样原边电路的线圈电流，确定原边电流和副边电流的相位关系；
所述步骤1具体为：
原边谐振腔由原边线圈Lp和原边补偿电容Cp组成，副边谐振腔由副边线圈Ls和副边补偿电容Cs组成，M1则为原边线圈与副边线圈间的互感，采样原边电路的线圈电流，确定原边电流和副边电流的相位关系，通过下式确定原边电流和副边电流的相位关系：
其中，为原边电流，为副边电流，M1为原边线圈与副边线圈间的互感值，ω为工作频率，Re为整流桥的交流等效负载，δ为相位差，Xs为副边虚部值，RS为副边线圈内阻。
步骤2：将辅助线圈与原边线圈同向绕制在一起，测量此时辅助线圈与原边线圈、辅助线圈与副边线圈的互感并分别记录为M2和M3，确定原边电流和副边电流在辅助线圈Lm上感应出的电压
所述步骤2具体为：
步骤2.1：将辅助线圈与原边线圈同向绕制在一起，测量此时辅助线圈与原边线圈、辅助线圈与副边线圈的互感并分别记录为M2和M3；
步骤2.2：确定原边电流和副边电流在辅助线圈Lm上感应出的电压通过下式表示
其中，为原边线圈Lp和副边电流在辅助线圈Lm上感应出的电压。
步骤3：在原边电路中接入一个解耦变压器，使得所述变压器的互感等于M2，抵消掉原边电流在辅助线圈中产生的电压，所述解耦变压器和辅助线圈组成了辅助解耦器，辅助解耦器两端中只存在副边电流感应出的感应电压根据副边电流确定辅助解耦器两端的电压和原边电流的关系；
所述步骤3具体为：
步骤3.1：原边接入的解耦变压器，使得所述变压器的互感等于M2，抵消掉原边电流在辅助线圈中产生的电压；
步骤3.2：所述解耦变压器和辅助线圈组成了辅助解耦器，辅助解耦器两端中只存在副边电流感应出的感应电压确定解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压通过下式表示解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压
其中，为解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压，MT为解耦变压器的互感指标；
步骤3.3：根据副边电流确定辅助解耦器两端的电压和原边电流的关系，通过下式确定辅助解耦器两端的电压和原边电流的关系：
步骤4：比较辅助解耦器两端的电压和原边电流的相位得到相位差δ，通过计算得到整流桥的交流等效负载后，得到副边虚部估计值，多次计算得到副边虚部估计值的平均值。
所述步骤4具体为：
步骤4.1：比较辅助解耦器两端的电压和原边电流的相位得到相位差δ；
步骤4.2：采用电压电流采样电路对原边电流和辅助解耦器两端电压进行测量，再通过计算得到整流桥的交流等效负载，通过阻抗关系计算得到副边虚部值Xs，通过下式表示副边虚部值Xs：
步骤4.3：多次计算副边虚部值，得到副边虚部估计值的平均值。
以上所述仅是一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法的优选实施方式，一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统以及副边谐振状态估计方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，所述方法基于一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统，所述系统包括直流电压源Ubus、移相H桥逆变器、原边线圈内阻Rp、副边线圈内阻Rs、原边谐振腔、副边谐振腔、整流桥、解耦变压器、原边电容Cbus、副边电容Cout和负载电阻RL；
所述移相H桥逆变器包括四个开关管Q1、Q2、Q3和Q4，所述开关管Q1与Q2串联，所述开关管Q3和Q4串联，同时开关管Q3和Q4同时并联在所述开关管Q1与Q2的两端，所述开关管Q1与Q2并联在直流电压源Ubus的两端；同时所述原边电容Cbus并联在直流电压源Ubus的两端；
所述整流桥包括上部和下部，所述上部包括二极管D1和D3，所述下部包括二极管D2和D4，所述二极管D1与二极管D2串联，所述二极管D3和二极管D4串联，并且所述二极管D3和二极管D4并联在二极管D1与二极管D2的两端；同时所述二极管D3和二极管D4并联在负载电阻RL的两端，副边电容Cout并联在负载电阻RL的两端；
所述解耦变压器包括一次侧电感LTP和二次侧电感LTM，一次侧电感LTP和二次侧电感LTM互感；
所述原边谐振腔包括原边线圈Lp和原边补偿电容Cp，原边线圈Lp和原边补偿电容Cp串联，所述原边线圈内阻Rp一端连接串联的开关管Q1与Q2的中间节点，所述原边线圈内阻Rp的另一端连接串联的原边线圈Lp和原边补偿电容Cp，同时原边线圈Lp和原边补偿电容Cp串联一次侧电感LTP的一端，一次侧电感LTP的另一端连接串联的开关管Q3和Q4的中间节点；
所述副边谐振腔包括副边线圈Ls和副边补偿电容Cs，副边线圈Ls和副边补偿电容Cs串联，所述副边线圈内阻Rs一端连接串联的二极管D1与二极管D2的中间节点，所述副边线圈内阻Rs的另一端连接串联的副边线圈Ls和副边补偿电容Cs，同时串联的副边线圈Ls和副边补偿电容Cs连接二极管D3和二极管D4的中间节点，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：采样原边电路的线圈电流，确定原边电流和副边电流的相位关系；
步骤2：将辅助线圈与原边线圈同向绕制在一起，测量此时辅助线圈与原边线圈、辅助线圈与副边线圈的互感并分别记录为M2和M3，确定原边电流
Figure FDA0004083298510000011
和副边电流
Figure FDA0004083298510000012
在辅助线圈Lm上感应出的电压
Figure FDA0004083298510000013
步骤3：在原边电路中接入一个解耦变压器，使得所述变压器的互感等于M2，抵消掉原边电流在辅助线圈中产生的电压，所述解耦变压器和辅助线圈组成了辅助解耦器，辅助解耦器两端中只存在副边电流
Figure FDA0004083298510000014
感应出的感应电压
Figure FDA0004083298510000015
根据副边电流
Figure FDA0004083298510000016
确定辅助解耦器两端的电压和原边电流
Figure FDA0004083298510000021
的关系；
步骤4：比较辅助解耦器两端的电压
Figure FDA0004083298510000022
和原边电流
Figure FDA0004083298510000023
的相位得到相位差δ，通过计算得到整流桥的交流等效负载后，得到副边虚部估计值，多次计算得到副边虚部估计值的平均值。
2.根据权利要求1所述的一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，其特征是：所述步骤1具体为：
原边谐振腔由原边线圈Lp和原边补偿电容Cp组成，副边谐振腔由副边线圈Ls和副边补偿电容Cs组成，M1则为原边线圈与副边线圈间的互感，采样原边电路的线圈电流，确定原边电流和副边电流的相位关系，通过下式确定原边电流和副边电流的相位关系：
Figure FDA0004083298510000024
其中，
Figure FDA0004083298510000025
为原边电流，
Figure FDA0004083298510000026
为副边电流，M1为原边线圈与副边线圈间的互感值，ω为工作频率，Re为整流桥的交流等效负载，δ为相位差，Xs为副边虚部值，RS为副边线圈内阻。
3.根据权利要求1所述的一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，其特征是：所述步骤2具体为：
步骤2.1：将辅助线圈与原边线圈同向绕制在一起，测量此时辅助线圈与原边线圈、辅助线圈与副边线圈的互感并分别记录为M2和M3；
步骤2.2：确定原边电流
Figure FDA0004083298510000027
和副边电流
Figure FDA0004083298510000028
在辅助线圈Lm上感应出的电压
Figure FDA0004083298510000029
通过下式表示
Figure FDA00040832985100000210
Figure FDA00040832985100000211
其中，
Figure FDA00040832985100000212
为原边线圈Lp和副边电流
Figure FDA00040832985100000213
在辅助线圈Lm上感应出的电压。
4.根据权利要求1所述的一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，其特征是：所述步骤3具体为：
步骤3.1：原边接入的解耦变压器，使得所述变压器的互感等于M2，抵消掉原边电流在辅助线圈中产生的电压；
步骤3.2：所述解耦变压器和辅助线圈组成了辅助解耦器，辅助解耦器两端中只存在副边电流
Figure FDA00040832985100000214
感应出的感应电压
Figure FDA00040832985100000215
确定解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压
Figure FDA00040832985100000216
通过下式表示解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压
Figure FDA0004083298510000031
Figure FDA0004083298510000032
其中，
Figure FDA0004083298510000033
为解耦变压器和辅助线圈组成的辅助解耦器两端的电压，MT为解耦变压器的互感指标，
Figure FDA0004083298510000034
为原边线圈Lp和副边电流
Figure FDA0004083298510000035
在辅助线圈Lm上感应出的电压，
Figure FDA0004083298510000036
为原边电流，
Figure FDA0004083298510000037
为副边电流；
步骤3.3：根据副边电流
Figure FDA0004083298510000038
确定辅助解耦器两端的电压和原边电流
Figure FDA0004083298510000039
的关系，通过下式确定辅助解耦器两端的电压和原边电流
Figure FDA00040832985100000310
的关系：
Figure FDA00040832985100000311
其中，Re为整流桥的交流等效负载,RS为副边线圈内阻，Xs为副边虚部值。
5.根据权利要求1所述的一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，其特征是：所述步骤4具体为：
步骤4.1：比较辅助解耦器两端的电压
Figure FDA00040832985100000312
和原边电流
Figure FDA00040832985100000313
的相位得到相位差δ；
步骤4.2：采用电压电流采样电路对原边电流和辅助解耦器两端电压进行测量，再通过计算得到整流桥的交流等效负载，通过阻抗关系计算得到副边虚部值Xs，通过下式表示副边虚部值Xs：
Figure FDA00040832985100000314
步骤4.3：多次计算副边虚部值，得到副边虚部估计值的平均值，Re为整流桥的交流等效负载,RS为副边线圈内阻。
6.根据权利要求1所述的一种基于原边辅助线圈的电动汽车无线充电传输系统的副边谐振状态估计方法，其特征是：还包括辅助线圈Lm，所述辅助线圈Lm的一端连接所述二次侧电感LTM的一端。
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