CN112865334A - 一种基于全波型可控电容的无线充电系统及其稳频控制用动态调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于全波型可控电容的无线充电系统及其稳频控制用动态调谐方法，所述动态调谐方法为：根据开关管S₁和S₂控制信号的占空比D取值区间的不同，软开关全波型可控电容的工作状态分为0≤D≤0.25和0.25＜D≤0.5，当0≤D≤0.25时，一个周期内开关管S₁和S₂及其并联二极管D₁和D₂各导通2Dπ的时间，分为6个工作模态，对应于7个时间点，当0.25＜D≤0.5时，C_1s和C_2s充电过程存在交叉，D₁和D₂导通时间有所变化，分为6个工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为t₀～t₆。本发明解决了现有调谐技术存在的体积大、成本高以及控制复杂等弊端。

Description

一种基于全波型可控电容的无线充电系统及其稳频控制用动 态调谐方法

技术领域

本发明涉及一种基于全波型可控电容的无线充电系统及其稳频控制用动态调谐方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

徐晔、Wu等人分别提出了一种基于锁相环的无线充电系统调谐控制策略和一种基于双向开关的拾取端功率调整的拓扑的调谐控制策略，用以解决负载与耦合系数的变化所引起的系统谐振频率漂移问题。吴等人针对系统损耗和老化的问题、系统参数变动和温度等环境变化的问题、谐振频率发生不同程度改变的问题，提出一种通过流控型可调电感控制实现系统频率稳定性的方法。方赞峰等人通过机械结构调节电容的等效容值实现发射端或者接收端的谐振频率调节。西南交通大学麦瑞坤教授团队采用测量线圈技术实现了稳频控制，对副边回路电流与测量电路电压的相位对应关系进行分析，研究得到利用测量线圈技术来间接判断副边回路谐振的方法。重庆大学孙跃教授团队提出了基于电容阵列动态调节电路和改进模糊控制算法，通过对初级谐振电容阵列等效值进行动态调节，确保系统负载参数变化时系统工作频率的稳定。重庆大学李明豪针对多软开关工作现象的干扰的问题，提出了一种基于能量流的系统谐振判定方法，通过对基于分段Bang-Bang控制进行改进的调谐策略，实现系统的调谐。

综上所述，现有文献中所提动态调谐技术存在的问题：1、相控电感方法采用较大体积的电感并且调节范围和调节精度受限。2、电容阵列方法采用大量的电容与开关，增加系统成本、体积以及控制复杂度，并且电容值的离散性导致调节范围和调节精度受限。3、频率跟踪方法采用锁相环方式实现系统工作频率追踪发射端的谐振频率，难以用于接收端调谐并且无线充电系统频段通常受限。4、接收端可控整流方法改造桥式整流实现虚部阻抗调节，难以用于发射端并且控制算法较为复杂以及调节范围较小。因此，本发明所提一种基于全波型可控电容的动态调谐方法旨在解决上述问题。

发明内容

本发明提出一种基于全波型可控电容的无线充电系统及其稳频控制用动态调谐方法，其目的是为了解决补偿拓扑中感值或者容值漂移不可避免地引起谐振频率偏离系统工作频率，从而导致系统效率和输出功率降低以及系统工作异常/故障等问题，解决了现有调谐技术存在的体积大、成本高以及控制复杂等弊端。本发明适用于但不限于串联-串联、串联-并联、并联-串联、并联-并联、LCL-串联、LCC-串联、LCL-LCL以及LCC-LCC等类型的静态/动态无线充电系统。

一种基于全波型可控电容的无线充电系统，包括：开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、二极管D₂、电容C_1s、电容C₂和电容C_2s，所述电容C₂的一端分别与开关管S₁的一端、二极管D₁的阳极和电容C_2s的一端连接，所述电容C₂的另一端分别与电容C_1s的一端、开关管S₂的一端和二极管D₂的阳极连接，所述电容C_1s的另一端分别与开关管S₁的另一端和二极管D₁的阴极连接，所述电容C_2s的另一端分别与开关管S₂的另一端和二极管D₂的阴极连接。

一种基于全波型可控电容的无线充电系统的稳频控制用动态调谐方法，基于上述的一种基于全波型可控电容的无线充电系统，所述动态调谐方法为：根据开关管S₁和S₂控制信号的占空比D取值区间的不同，软开关全波型可控电容的工作状态分为0≤D≤0.25和0.25＜D≤0.5两种，

功能状态一：当0≤D≤0.25时，一个周期内开关管S₁和S₂及其并联二极管D₁和 D₂各导通2Dπ的时间，分为6个第一工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为 t₀～t₆，此时，软开关全波型可控电容的可调等效电容值C_eq为：

其中，C_c1s为电容C_1s的容值，C_c2s为电容C_2s的容值，Q_C1s和Q_C2s分别为0～π时间内电容C_C1s和C_C2s上总电荷量，ΔQ_C1s和ΔQ_C2s分别为0～(1-2D)π时间内电容C_C1s上电荷量以及(1-2D)～2Dπ时间内电容C_C2s上电荷量，C_1s＝C_2s＝C。

工作状态二：当0.25＜D≤0.5时，C_1s和C_2s充电过程存在交叉，D₁和D₂导通时间有所变化，分为6个第二工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为t₀～t₆，此时，全波型可控电容的可调等效电容值C_eq为：

进一步的，在工作状态一中，6个工作模态具体为：

第一模态1，对应t₀～t₁，S₁导通，S₂关断，D₁和D₂均不工作，C_1s和C₂同时充电， u_2s保持不变；

第一模态2，对应t₁～t₂，S₁和S₂均关断，D₁和D₂均不工作，C_1s停止充电，C₂继续充电，u_1s和u_2s保持不变；

第一模态3，对应t₂～t₃，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，u₂逐渐增加到大于u_2s时，D₂导通，C₂和C_2s同时充电，u_1s保持不变；

第一模态4，对应t₃～t₄，S₁关断，S₂导通，D₁和D₂均不工作，C₂继续充电，C_2s开始放电，u_1s保持不变；

第一模态5，对应t₄～t₅，S₁和S₂均关断，D₁和D₂均不工作，C₂开始放电，u_1s和u_2s保持不变；

第一模态6，对应t₅～t₆，S₁和S₂均关断，D₁工作且D₂不工作，u_1s和u₂逐渐减小， u_2s保持不变；t₆时刻，一个周期完成，开始重复第一模态1～第一模态6。

进一步的，在工作状态二中，6个工作模态具体为：

第二模态1，对应t₀～t₁，S₁导通，S₂关断，D₁和D₂均不工作，C_1s和C₂同时充电， u_2s保持不变；

第二模态2，对应t₁～t₂，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，C_1s和C₂继续充电，当u_1s>u_1smin时，D₂开始工作，C_1s、C₂和C_2s同时充电，

第二模态3，对应t₂～t₃，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，C_1s停止充电，C₂和 C_2s同时充电，u_1s保持不变；

第二模态4，对应t₃～t₄，S₁关断，S₂导通，D₁和D₂均不工作，C₂和C_2s开始放电， u_1s保持不变；

第二模态5，对应t₄～t₅，S₁和S₂均关断，D₁工作，D₂不工作，当u_2s<u_1s时，D₁开始工作，C_1s、C₂和C_2s同时放电；

第二模态6，对应t₅～t₆，S₁和S₂均关断，D₁工作，D₂不工作，u_1s和u₂均逐渐减小且电压降至u_1smin，u_2s保持不变，直至t₆时刻，一个周期完成，开始重复第二模态1～第二模态6。

本发明的主要优点是：本发明针对补偿拓扑中感值或者容值漂移不可避免地引起谐振频率偏离系统工作频率，从而导致系统效率和输出功率降低以及系统工作异常/故障等问题，以无源元件少量化、系统改造轻微化和控制方法简单化为研究目标，提出一种基于全波型可控电容的动态调谐方法，解决了现有调谐技术存在的体积大、成本高以及控制复杂等弊端。本发明适用于但不限于串联-串联、串联-并联、并联-串联、并联-并联、LCL-串联、LCC-串联、LCL-LCL以及LCC-LCC等类型的静态/动态无线充电系统。

附图说明

图1为全波型可控电容示意图；

图2为当0≤D≤0.25时工作波形图；

图3为当0≤D≤0.25时工作波形；

图4为软开关全波型可控电容的仿真结果图，其中图4(a)为等效电容值调节范围图；图4(b)为谐振频率调节范围图；

图5为接收端容值漂移时稳频控制的仿真结果图，其中图5(a)为工作波形图；图5(b)为P&O搜索过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-图3所示，本发明提出了一种基于全波型可控电容的无线充电系统的一实施例，包括：开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、二极管D₂、电容C_1s、电容C₂和电容 C_2s，所述电容C₂的一端分别与开关管S₁的一端、二极管D₁的阳极和电容C_2s的一端连接，所述电容C₂的另一端分别与电容C_1s的一端、开关管S₂的一端和二极管D₂的阳极连接，所述电容C_1s的另一端分别与开关管S₁的另一端和二极管D₁的阴极连接，所述电容 C_2s的另一端分别与开关管S₂的另一端和二极管D₂的阴极连接。

本发明还提出了一种基于全波型可控电容的无线充电系统的稳频控制用动态调谐方法的一实施例，基于上述的一种基于全波型可控电容的无线充电系统，所述动态调谐方法为：根据开关管S₁和S₂控制信号的占空比D取值区间的不同，软开关全波型可控电容的工作状态分为0≤D≤0.25和0.25＜D≤0.5两种，

功能状态一：当0≤D≤0.25时，一个周期内开关管S₁和S₂及其并联二极管D₁和 D₂各导通2Dπ的时间，分为6个第一工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为 t₀～t₆，此时，软开关全波型可控电容的可调等效电容值C_eq为：

其中，C_c1s为电容C_1s的容值，C_c2s为电容C_2s的容值，Q_C1s和Q_C2s分别为0～π时间内电容C_C1s和C_C2s上总电荷量，ΔQ_C1s和ΔQ_C2s分别为0～(1-2D)π时间内电容C_C1s上电荷量以及(1-2D)～2Dπ时间内电容C_C2s上电荷量，C_1s＝C_2s＝C。

工作状态二：当0.25＜D≤0.5时，C_1s和C_2s充电过程存在交叉，D₁和D₂导通时间有所变化，分为6个第二工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为t₀～t₆，此时，全波型可控电容的可调等效电容值C_eq为：

在本部分优选实施例中，在工作状态一中，6个工作模态具体为：

第一模态1，对应t₀～t₁，S₁导通，S₂关断，D₁和D₂均不工作，C_1s和C₂同时充电， u_2s保持不变；

第一模态2，对应t₁～t₂，S₁和S₂均关断，D₁和D₂均不工作，C_1s停止充电，C₂继续充电，u_1s和u_2s保持不变；

第一模态3，对应t₂～t₃，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，u₂逐渐增加到大于u_2s时，D₂导通，C₂和C_2s同时充电，u_1s保持不变；

第一模态4，对应t₃～t₄，S₁关断，S₂导通，D₁和D₂均不工作，C₂继续充电，C_2s开始放电，u_1s保持不变；

第一模态5，对应t₄～t₅，S₁和S₂均关断，D₁和D₂均不工作，C₂开始放电，u_1s和u_2s保持不变；

第一模态6，对应t₅～t₆，S₁和S₂均关断，D₁工作且D₂不工作，u_1s和u₂逐渐减小， u_2s保持不变；t₆时刻，一个周期完成，开始重复第一模态1～第一模态6。

在本部分优选实施例中，在工作状态二中，6个工作模态具体为：

第二模态1，对应t₀～t₁，S₁导通，S₂关断，D₁和D₂均不工作，C_1s和C₂同时充电， u_2s保持不变；

第二模态2，对应t₁～t₂，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，C_1s和C₂继续充电，当u_1s>u_1smin时，D₂开始工作，C_1s、C₂和C_2s同时充电，

第二模态3，对应t₂～t₃，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，C_1s停止充电，C₂和 C_2s同时充电，u_1s保持不变；

第二模态4，对应t₃～t₄，S₁关断，S₂导通，D₁和D₂均不工作，C₂和C_2s开始放电， u_1s保持不变；

第二模态5，对应t₄～t₅，S₁和S₂均关断，D₁工作，D₂不工作，当u_2s<u_1s时，D₁开始工作，C_1s、C₂和C_2s同时放电；

第二模态6，对应t₅～t₆，S₁和S₂均关断，D₁工作，D₂不工作，u_1s和u₂均逐渐减小且电压降至u_1smin，u_2s保持不变，直至t₆时刻，一个周期完成，开始重复第二模态1～第二模态6。

下面给出一个具体实施例：

不同占空比D时，软开关全波型可控电容的等效电容值C_eq和谐振频率f调节范围的仿真结果如图4所示。可知：D取值为0～0.5时实现在[C₂～(2C+C₂)]内单调、连续和平滑的C_eq调节。归一化等效电容C_eq/C₂与γ＝C₂/C密切相关，因此实际应用中应合理地配置γ得到C_eq调节范围。假设参数漂移导致谐振频率f_c＝106kHz偏离系统工作频率f_s＝98kHz 并且γ＝3，此减小D即可实现f_c＝f_s并且谐振频率f的调节范围为87kHz～113kHz。

以接收端补偿电容存在-5％偏差为例，基于动态调谐技术的接收端稳频控制的仿真结果如图5所示。黑线、蓝线和红线分别表示发射线圈中谐振电流i₁(t)、接收线圈中谐振电流i₂(t)滞后90°的波形i_2d(t)以及两者之间相位差γ_d(为便于观察，γ_d的幅值放大40倍)。可知：采用变步长扰动观测法搜索γ_d＝0的同时控制软开关全波型可控电容的占空比D调节等效电容值C_{2_eq}即可实现接收端的谐振频率与系统工作频率一致，仿真结果验证了所提频率稳定性判据以及稳频控制策略的合理性与可行性。备注：上述仿真分析同样适用于发射端和接收端中其他感值或者容值漂移对于系统性能的影响。

Claims (4)

1.一种基于全波型可控电容的无线充电系统，其特征在于，包括：开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、二极管D₂、电容C_1s、电容C₂和电容C_2s，所述电容C₂的一端分别与开关管S₁的一端、二极管D₁的阳极和电容C_2s的一端连接，所述电容C₂的另一端分别与电容C_1s的一端、开关管S₂的一端和二极管D₂的阳极连接，所述电容C_1s的另一端分别与开关管S₁的另一端和二极管D₁的阴极连接，所述电容C_2s的另一端分别与开关管S₂的另一端和二极管D₂的阴极连接。

2.一种基于全波型可控电容的无线充电系统的稳频控制用动态调谐方法，基于权利要求1所述的一种基于全波型可控电容的无线充电系统，其特征在于，所述动态调谐方法为：根据开关管S₁和S₂控制信号的占空比D取值区间的不同，软开关全波型可控电容的工作状态分为0≤D≤0.25和0.25＜D≤0.5两种，

功能状态一：当0≤D≤0.25时，一个周期内开关管S₁和S₂及其并联二极管D₁和D₂各导通2Dπ的时间，分为6个第一工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为t₀～t₆，此时，软开关全波型可控电容的可调等效电容值C_eq为：

其中，C_c1s为电容C_1s的容值，C_c2s为电容C_2s的容值，Q_C1s和Q_C2s分别为0～π时间内电容C_C1s和C_C2s上总电荷量，ΔQ_C1s和ΔQ_C2s分别为0～(1-2D)π时间内电容C_C1s上电荷量以及(1-2D)～2Dπ时间内电容C_C2s上电荷量，C_1s＝C_2s＝C。

工作状态二：当0.25＜D≤0.5时，C_1s和C_2s充电过程存在交叉，D₁和D₂导通时间有所变化，分为6个第二工作模态，对应于7个时间点，7个时间点分别为t₀～t₆，此时，全波型可控电容的可调等效电容值Ceq为：

3.根据权利要求2所述的一种基于全波型可控电容的无线充电系统的稳频控制用动态调谐方法，其特征在于，在工作状态一中，6个工作模态具体为：

第一模态1，对应t₀～t₁，S₁导通，S₂关断，D₁和D₂均不工作，C_1s和C₂同时充电，u_2s保持不变；

第一模态2，对应t₁～t₂，S₁和S₂均关断，D₁和D₂均不工作，C_1s停止充电，C₂继续充电，u_1s和u_2s保持不变；

第一模态3，对应t₂～t₃，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，u₂逐渐增加到大于u_2s时，D₂导通，C₂和C_2s同时充电，u_1s保持不变；

第一模态4，对应t₃～t₄，S₁关断，S₂导通，D₁和D₂均不工作，C₂继续充电，C_2s开始放电，u_1s保持不变；

第一模态5，对应t₄～t₅，S₁和S₂均关断，D₁和D₂均不工作，C₂开始放电，u_1s和u_2s保持不变；

第一模态6，对应t₅～t₆，S₁和S₂均关断，D₁工作且D₂不工作，u_1s和u₂逐渐减小，u_2s保持不变；t6时刻，一个周期完成，开始重复第一模态1～第一模态6。

4.根据权利要求2所述的一种基于全波型可控电容的无线充电系统的稳频控制用动态调谐方法，其特征在于，在工作状态二中，6个工作模态具体为：

第二模态1，对应t₀～t₁，S₁导通，S₂关断，D₁和D₂均不工作，C_1s和C₂同时充电，u_2s保持不变；

第二模态2，对应t₁～t₂，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，C_1s和C₂继续充电，当u_1s>u_1smin时，D₂开始工作，C_1s、C₂和C_2s同时充电，

第二模态3，对应t₂～t₃，S₁和S₂均关断，D₁不工作，D₂工作，C_1s停止充电，C₂和C_2s同时充电，u_1s保持不变；

第二模态4，对应t₃～t₄，S₁关断，S₂导通，D₁和D₂均不工作，C₂和C_2s开始放电，u_1s保持不变；

第二模态5，对应t₄～t₅，S₁和S₂均关断，D₁工作，D₂不工作，当u_2s<u_1s时，D₁开始工作，C_1s、C₂和C_2s同时放电；

第二模态6，对应t₅～t₆，S₁和S₂均关断，D₁工作，D₂不工作，u_1s和u₂均逐渐减小且电压降至u_1smin，u_2s保持不变，直至t₆时刻，一个周期完成，开始重复第二模态1～第二模态6。

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