CN111308247B - 一种基于单边探测电流相位变化率检测的wpt系统判谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，所述方法包括以下步骤：(1)根据系统谐振电路参数与负载参数，设置探测支路的探测电阻阻值依次变换为R₁～R_K，设置计数参数n＝1；(2)闭合开关S_P、打开原边电源，断开开关S₂、断开副边负载，闭合开关S₁，使能量由原边电源流向探测支路，设置探测电阻阻值为R_n；(3)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_C的电流信号i_C，以电压信号U_P为基准信号，记录此时流经对应电阻R_n的探测电流i_C相位信息θ_n，且置计数参数n→n+1；(4)判断参数n是否大于电阻数量K，(5)根据相位信息，获得探测电流信号i_C的大小分布与随着电阻取值变化的变化率统计，则根据此两个信息可获得系统失谐状态与失谐位置。

Description

一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法

技术领域

本发明涉及一种判断方法，具体涉及一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT 系统判谐方法，属于无线电能传输技术的应用领域。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术是一项不需要传统物理连接就可以实现能量传输的技术。此次技术通过磁场等特殊方式进行能量传递，有效避免了传统桩充电时产生的线路磨损、漏电等问题。从目前的研究成果来看，WPT技术无论应用在长距离或短距离时都可以实现各种功率等级的高效率传输。另外，由于WPT技术不需要人为物理接口，与传统充电方式相比，它在充电时也具有更好的灵活性、便利性和安全性。

无线能量传输技术的实现主要基于以下三种方式实现：电磁感应式、电磁辐射式和磁耦合共振式。目前，磁耦合共振式无线电能传输方式因其传输距离较远、传输功率大、效率高、安全性佳等优点成为无线传能技术的首选方案，可被应用于航天、医疗等各个领域。磁耦合共振技术即利用近场磁耦合原理，采用两个或多个工作在相同频率上的电感线圈来传递能量。为了保证系统的谐振特性，一般引入使用电感、电容等储能元件构成的谐振补偿网络，如LC谐振网络、LCL谐振网络和LCC谐振网络等。

而在系统实际应用过程中，系统由于存在元件损耗，可能会导致系统参数与额定的谐振网络参数不相符，且参数自身也会存在温漂、时漂等情形而导致系统“失谐”状态的发生。一旦系统失谐，则系统的工作效率、传能功率将收到极大影响；如果是双向WPT系统发生失谐，还会进一步造成系统的控制困难。因此，无论系统采用何种谐振补偿网络，在系统发生单侧失谐的情况下，准确的谐振判断是保证系统工作状态稳定、能量传输高效的前提。因此，一个适用性强、使用范围广泛的谐振判断方法是十分必要的，也会对于能量的高效传输、系统工作的稳定性和系统的可控性改善提供重要保证，有利于WPT技术的广泛运用。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，其在副边谐振补偿网络出口处引入并联探测支路后，在系统只有单侧发生失谐的情况下，通过改变探测电阻阻值并测量流过其的探测电流相位，即可根据此相位变化率信息确定系统的失谐状态与失谐位置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，所述系统包括基础的能量传输系统和谐振探测支路，能量传输系统由原边与副边结构组成，谐振探测支路由探测电阻和对应控制开关构成，所述原边结构包括直流电源、谐振补偿网络、高频逆变器，副边结构包括谐振补偿网络、整流电路和电路负载。确定系统失谐状态和失谐位置的操作方法如下：

(1)根据系统谐振电路参数与负载参数，设置探测支路的探测电阻阻值依次变换为 R₁～R_K，其范围一般根据谐振支路等效电阻和逆变电路等效输出电阻决定，假设原边谐振支路等效电阻、副边谐振支路等效电阻、逆变电路等效输出电阻取值分别为R_p、R_s、 R₁，则探测电阻取值范围参考

且接近阻值 min{R_p,R_s,R₁}处的探测电阻阻值设置应适当密集。同时设置计数参数n＝1；

(2)闭合开关S_P、打开原边电源，断开开关S₂、断开副边负载，闭合开关S₁，使能量由原边电源流向探测支路，设置探测电阻阻值为R_n。

(3)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_C的电流信号i_C，以电压信号U_P为基准信号，记录此时对应电阻R_n的i_C相位信息θ_n，且置计数参数n→n+1；

(4)判断参数n是否大于电阻数量K，若比较结果为否则返回步骤(2)，若比较结果为是则整理相位信息θ₁～θ_n。

(5)根据相位信息，获得探测电流信号i_C的大小分布与随着电阻取值变化的变化率统计，则根据此两个信息可获得系统失谐状态与失谐位置：根据探测电流相位θ的取值可以判断系统发生容性失谐还是感性失谐：当θ大于90°时，系统处于容性失谐状态；当θ小于90°时，系统处于感性性失谐状态；根据电流相位θ随探测电阻R_C的变化率k_θ可判断失谐发生位置：当变化率大于1时，系统失谐发生于原边谐振网络，当变化率k_θ小于1时，系统失谐发生于副边谐振网络。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，本发明提出的一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法简单易行，仅需对流经不同取值探测电阻的探测支路电流进行相位检测，整合信息后即可根据相位的取值情况和变化率判断系统失谐为感性还是容性失谐、系统失谐发生于原边还是副边。本发明实现方式简单，不需要对原能量传输系统进行改造，也不需要增加额外的探测线圈，仅需在需要进行谐振检测时接入探测电阻，其余时间断开即可，不会增加系统功率和效率损耗。本发明实现了对无线电能传输系统谐振状态的准确判断，可以为采用不同谐振补偿网络的WPT系统的进一步调谐提供基础，且本发明适用性广泛，可以广泛应用于基于WPT系统构建的各项单向无线充电、双向无线充放电系统中，改善系统的谐振性能，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是应用于WPT系统的谐振判断电路结构原理图；

图2是包含谐振判断电路的WPT系统等效电路图；

图3是WPT系统谐振判断过程的实施流程图。

图4是典型系统下判谐系统在不同失谐状态下测得的相位变化曲线。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，所述系统包括基础的能量传输系统和谐振探测支路，能量传输系统由原边与副边结构组成，谐振探测支路由探测电阻和对应控制开关构成。所述原边结构包括直流电源、谐振补偿网络、高频逆变器，副边结构包括谐振补偿网络、整流电路和电路负载。确定系统失谐状态和失谐位置的操作方法如下：

(1)根据系统谐振电路参数与负载参数，设置探测支路的探测电阻阻值依次变换为 R₁～R_K，其范围一般根据谐振支路等效电阻和逆变电路等效输出电阻决定，假设原边谐振支路等效电阻、副边谐振支路等效电阻、逆变电路等效输出电阻取值分别为R_p、R_s、 R₁，则探测电阻取值范围参考

且接近阻值 min{R_p,R_s,R₁}处的探测电阻阻值设置应适当密集。同时设置计数参数n＝1。

(2)闭合开关S_P、打开原边电源，断开开关S₂、断开副边负载，闭合开关S₁，使能量由原边电源流向探测支路。设置探测电阻阻值为R_n。

(3)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_C的电流信号i_C。以电压信号U_P为基准信号，记录此时对应电阻R_n的i_C相位信息θ_n，且置计数参数n→n+1。

(4)判断参数n是否大于电阻数量K，若比较结果为否则返回步骤(2)，若比较结果为是则整理相位信息θ₁～θ_n。

(5)根据相位信息，获得探测电流信号i_C的大小分布与随着电阻取值变化的变化率统计，则根据此两个信息可获得系统失谐状态与失谐位置：根据探测电流相位θ的取值可以判断系统发生容性失谐还是感性失谐：当θ大于90°时，系统处于容性失谐状态；当θ小于90°时，系统处于感性性失谐状态；根据电流相位θ随探测电阻R_C的变化率k_θ可判断失谐发生位置：当变化率大于1时，系统失谐发生于原边谐振网络，当变化率k_θ小于1时，系统失谐发生于副边谐振网络。

应用实施案例：

一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，所述系统包括基础的能量传输系统和谐振探测支路，能量传输系统由原边与副边结构组成，谐振探测支路由探测电阻和对应控制开关构成。所述原边结构包括直流电源、谐振补偿网络、高频逆变器，副边结构包括谐振补偿网络、整流电路和电路负载。无论系统采用何种谐振补偿网络，其总体谐振电路均可等效为采用LC补偿方式的谐振网络。其系统等效结构图如图1所示。

图中系统主要包括WPT系统的原边、副边电路结构，并联于副边谐振电路出口的探测电路以及谐振判断结构。能量传输系统中，系统原边直流电源U₁由开关S_P控制通断，开关信号由原边控制器给出；电容C_P，电感L_P组成原边等效LC谐振电路；电容C_S，电感L_S组成副边等效LC谐振电路；S11-D11～S14-D14组成原边电能逆变电路，由受驱动电源供电的原边控制器提供控制信号；开关S₁、探测电阻R_C组成副边探测电路，电路通断由开关S₁控制，并联在副边谐振电路的输出端之间；D21～D24组成副边整流电路，将谐振网络输出的交流电变换为直流电；最后负载R_L是否接入电路由开关S₂控制。以上电路中，开关S₁、S₂的控制信号由副边控制电路提供。

系统等效电路图如图2所示，当探测电阻R_C接入电路时，流经探测支路的电流i_C表达式为：

因此，当系统完全谐振时，有

此时i_C相位超前U_P90°。当

或

系统呈现感性失谐状态，此时i_C超前U_P相位小于90°；反之当

或

系统呈现容性失谐状态，此时i_C超前U_P相位大于90°。当系统失谐越严重时，探测电流相位偏移越严重，因此，可以实际根据探测电流的相位检测结果大小来判断系统的失谐状态。

当原边失谐，副边谐振时，探测电流i_C可以用下式来表示：

其中

因此，电流i_C相位随探测电阻R_C变化率为：

同理，当原边谐振，副边谐振时，探测电流i_C表达式为：

其中

因此，电流i_C相位随探测电阻R_C变化率为：

由于

因此有

在典型取值下，系统谐振频率为85kHz，线圈之间的互感M为10^-5数量级，因此有

同理，在原边发生相似失谐的情况下，

为

的

倍，且

因此，可根据探测电流相位随探测电阻的变化率来判断系统失谐发生于原边还是副边。

以图2所示等效电路图为例，U₁＝100V，R_p＝R_s＝0.1Ω，M＝16μH，谐振状态下参数L_p＝L_s＝60μH，C_p＝C_s＝58.432nF。对系统失谐状态与失谐位置判断的具体实现方式见图3，包括以下步骤：

(1)依据

设置探测支路的探测电阻阻值：0.1,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0,9.0,10.0(单位：Ω)，设置计数参数n＝1；

(2)闭合开关S_P、打开原边电源，断开开关S₂、断开副边负载，闭合开关S₁，使能量由原边电源流向探测支路。设置探测电阻阻值为R_n；

(3)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_C的电流信号i_C。以电压信号U_P为基准信号，记录此时对应电阻R_n的i_C相位信息θ_n，且置计数参数n→n+1。根据θ_n信息可首先判断出系统为感性失谐还是容性失谐；

(4)判断参数n是否大于电阻数量K，若比较结果为否则返回步骤(2)，若比较结果为是则整理相位信息θ₁～θ_n；

(5)根据相位信息，获得探测电流信号i_C的大小分布与随着电阻取值变化的变化率统计，当变化率大于1时，系统失谐发生于原边谐振网络，当变化率k_θ小于1时，系统失谐发生于副边谐振网络。如图4所示，图中展示了当原边和副边分别在两种不同失谐情况下的相位差随探测电阻偏移形式。根据图像可直接判断系统失谐状态与失谐位置。

采用上述方案后，仅需对流经不同取值探测电阻的探测支路电流进行相位检测，整合信息后即可根据相位的取值情况和变化率判断系统失谐为感性还是容性失谐、系统失谐发生于原边还是副边。系统不需要对原能量传输系统进行改造，仅需在需要进行谐振检测时接入探测电阻，其余时间断开即可，不会增加系统功率和效率损耗。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

WPT系统包括基础的能量传输系统，由原边系统与副边系统结构组成，原边系统包括直流电源、谐振补偿网络、高频逆变器，副边系统包括谐振补偿网络、整流电路和电路负载；

(1)根据系统谐振电路参数与负载参数，初始设置共K个探测电阻R_C，其阻值依次变换为R₁～R_K，置计数参数n＝1；

(2)闭合开关S_P、打开原边电源，断开开关S₂、断开副边负载，闭合开关S₁，使能量由原边电源流向探测支路，设置探测电阻阻值为R_n；

(3)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_C的电流信号i_C，以电压信号U_P为基准信号，记录此时探测电阻R_C对应电阻阻值R_n的i_C相位信息θ_n，且置计数参数n→n+1；

(4)判断参数n是否大于探测电阻R_C数量K，若比较结果为否，则返回步骤(2)，若比较结果为是，则整理相位信息θ₁～θ_n；

(5)根据相位信息，获得探测电流信号i_C的大小分布与随着探测电阻R_C取值变化的变化率统计，则根据此两个信息可获得系统失谐状态与失谐位置。

2.根据权利要求1所述的基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，探测支路的电阻阻值设置范围根据谐振支路等效电阻和逆变电路等效输出电阻决定，设原边谐振支路等效电阻、副边谐振支路等效电阻、逆变电路等效输出电阻取值分别为R_p、R_s、R₁，则探测电阻取值范围参考

且接近阻值min{R_p,R_s,R₁}处的探测电阻阻值设置应适当密集。

3.根据权利要求2所述的基于单边探测电流相位变化率检测的WPT系统判谐方法，其特征在于，所述步骤(5)中，根据探测电流相位θ的取值判断系统发生容性失谐还是感性失谐：当θ大于90°时，系统处于容性失谐状态；当θ小于90°时，系统处于感性性失谐状态；根据电流相位θ随探测电阻R_C的变化率k_θ可判断失谐发生位置：当变化率大于1时，系统失谐发生于原边谐振网络，当变化率k_θ小于1时，系统失谐发生于副边谐振网络。

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