CN115033046A - 一种mcr-wpt系统的最大效率追踪控制方法 - Google Patents

一种mcr-wpt系统的最大效率追踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种MCR‑WPT系统的最大效率追踪控制方法。本发明搭建可将谐振电路通过切换开关切换成S‑S型谐振补偿拓扑结构和S‑P型谐振补偿拓扑结构的MCR‑WPT系统，计算S‑S型谐振补偿拓扑结构的传输效率与S‑P型谐振补偿拓扑结构的传输效率相等时对应的负载阻抗值，并以此作为切换点。同时控制Buck‑Boost变换器电路的占空比，变换接收线圈等效输入阻抗使其等效为使得系统的传输效率最大时的负载阻抗。本发明将无线电能传输系统在负载变化条件下的系统传输效率作为优化目标，采用谐振补偿拓扑结构切换与自适应有源阻抗匹配相结合的方法对系统参数进行调节，能有效的对系统参数进行调节，提高传输效率，且具备控制简单精确、匹配范围广的优点。

Description

一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法。
背景技术
无线电能传输技术的发展历史可以追溯到19世纪，该技术在历史中的发展大致可以分为两个时期。第一个发展时期与麦克斯韦和赫兹有关。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)于1873年在其著作《论电和磁》中推演了著名的麦克斯韦方程式组，提出了能量可以以电磁波作为介质在自由空间内传递的观点。随后海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)在1888年通过实验验证了麦克斯韦方程组并证实了电磁波的存在。第二个发展时期与交流电之父特斯拉相关。尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)于1890年提出通过电磁波在大气电离层与地球地面之间构建电磁谐振能量传输空间的构想，最早地阐释了无线电能传输的概念。尽管其构想最终没有实现，但相关的想法与实验对后来的专家学者起到了极大的启发作用。磁耦合谐振式无线电能传输(MagneticallyCoupled Resonant Wireless Power Transfer，MCR-WPT)技术作为当今无线电能传输的一种新型技术，在传统的无线电能传输技术的基础上，实现了传输距离和传输效率的大幅提高，也解决了有线输电线路短路等造成的安全问题，显得更为安全高效，已经广泛应用到手机、小型家电、电动汽车等领域的无线电能传输中。传输效率的高低会影响到系统硬件电路的设计甚至影响系统的安全状态，因此常被视作无线电能传输系统的一个关键性指标，配置合适的MCR-WPT系统最大效率追踪方法具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，具体技术方案如下：
一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立MCR-WPT系统两种不同谐振补偿拓扑结构的数学模型；所述MCR-WPT系统包括依次连接的逆变电路、谐振电路、整流电路、自适应有源阻抗匹配网络；所述自适应有源阻抗匹配网络包括Buck-Boost变换器电路；所述谐振电路通过切换开关切换成S-S型谐振补偿拓扑结构和S-P型谐振补偿拓扑结构，分别构成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统和S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统；所述谐振回路包括发射回路和接收回路；所述S-S型谐振补偿拓扑结构的发射回路为接收线圈和发射线圈谐振补偿电容串联，接收回路为接收线圈和接收线圈谐振补偿电容串联；所述S-P型谐振补偿拓扑结构的发射回路为接收线圈和发射线圈谐振补偿电容串联，接收回路为接收线圈和接收线圈谐振补偿电容并联；
步骤S2，分别计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSS和S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSP；
步骤S3，计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型与S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型相等时对应的负载阻抗值RL-Pi，并以此作为谐振电路切换点的负载阻抗值；当负载阻抗值RL＜RL-Pi时，通过切换开关切换成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统进行电能传输；当负载阻抗值RL＞RL-Pi时，通过切换开关切换成S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统进行电能传输；
步骤S4，计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型与S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型分别达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax；控制Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo，变换接收线圈等效输入阻抗R'L使其等效为RL-ηMax，实现对MCR-WPT系统的最大效率追踪。
优选地，所述步骤S2中S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型的计算方式如下：
利用基尔霍夫定律列出S-S型谐振补偿拓扑结构的谐振电路模型的回路方程为：
Figure BDA0003679463840000031
其中，R1为发射线圈内阻；L1为发射线圈电感；C1为发射线圈谐振补偿电容；
Figure BDA0003679463840000032
为交流源；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；R2为接收线圈内阻；L2为接收线圈电感；C2为接收线圈谐振补偿电容；RL为接收线圈的负载阻抗；ω为S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统工作角频率，
Figure BDA0003679463840000033
为发射侧的回路电流；
Figure BDA0003679463840000034
为接收侧的回路电流；
当S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统谐振时有：
Figure BDA0003679463840000035
S-S型谐振补偿拓扑结构的接收回路的反射阻抗Zref为：
Figure BDA0003679463840000036
S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统谐振时，S-S型谐振补偿拓扑结构的发射端的输入阻抗Zin为：
Figure BDA0003679463840000037
则S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSS为：
Figure BDA0003679463840000041
优选地，所述步骤S2中S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型的计算方式如下：
利用基尔霍夫定律列出S-P谐振补偿拓扑结构的谐振电路模型的回路方程为：
Figure BDA0003679463840000042
其中，R1为发射线圈内阻；L1为发射线圈电感；C1为发射线圈谐振补偿电容；
Figure BDA0003679463840000043
为交流源；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；R2为接收线圈内阻；L2为接收线圈电感；C2为接收线圈谐振补偿电容；RL为接收线圈的负载阻抗；
ω为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统工作角频率，
Figure BDA0003679463840000044
为发射侧的回路电流；
Figure BDA0003679463840000045
为接收侧的回路电流；
S-P谐振补偿拓扑结构的接收线圈反射到发射线圈的反射阻抗为：
Figure BDA0003679463840000046
当S-P谐振补偿拓扑结构的发射线圈与接收线圈谐振时，反射阻抗为：
Figure BDA0003679463840000047
求得S-P谐振补偿拓扑结构的发射端
Figure BDA0003679463840000048
接收端电流
Figure BDA0003679463840000049
表达式为：
Figure BDA0003679463840000051
此时S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输角频率为：
Figure BDA0003679463840000052
求出S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSP为：
Figure BDA0003679463840000053
优选地，所述步骤S3中谐振电路切换点的负载阻抗值RL-Pi的计算方式为：令ηSS＝ηSP，则：
Figure BDA0003679463840000054
优选地，所述S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax-SS的计算方式如下：
在式(5)中S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSS对负载阻抗值RL求偏导得：
Figure BDA0003679463840000055
求得S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax-SS为：
Figure BDA0003679463840000056
优选地，所述步骤S4中Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo的计算方式如下：
Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr与占空比DBu-Bo的关系为：
Figure BDA0003679463840000061
其中RL为接收线圈的负载阻抗；
接收线圈的等效负载阻抗RL'与Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr的关系为：
Figure BDA0003679463840000062
联立公式(15)与公式(16)得到接收线圈的负载阻抗RL与接收线圈的等效负载阻抗RL'的关系为：
Figure BDA0003679463840000063
令：
RL'＝RL-ηMax；(18)
则：
Figure BDA0003679463840000064
优选地，所述步骤S4中，当系统为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统时，控制Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo在30％-40％范围内。
本发明的有益效果为：本发明将无线电能传输系统在负载变化条件下的系统传输效率作为优化目标，采用谐振补偿拓扑结构切换与自适应有源阻抗匹配相结合的方法对系统参数进行调节。该方法在满足性能要求的前提下，能有效的对系统参数进行调节，提高传输效率，且具备空间体积小、控制简单精确、匹配范围广的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的MCR-WPT系统原理图；
图2(a)为本发明中S-S型谐振补偿拓扑结构的等效电路模型图；
图2(b)为本发明中S-P型谐振补偿拓扑结构的等效电路模型图；
图3为S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的负载阻抗、耦合系数与系统传输效率之间的关系曲线；
图4为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的负载阻抗、耦合系数与系统传输效率之间的关系曲线；
图5为两种不同谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的负载与效率关系曲线；
图6为基于谐振补偿拓扑结构切换的最大效率追踪方法流程图；
图7为基于有源阻抗匹配方式的MCR-WPT系统阻抗匹配网络的电路拓扑图；其中，RL为系统负载阻抗，RLeqr为接收侧线圈经过整流后的等效阻抗，R'L为接收侧线圈的等效输入阻抗；
图8为基于Buck-Boost直流变换器的有源阻抗匹配网络电路拓扑图；
图9为系统等效输入阻抗与负载阻抗、占空比之间的关系三维图；
图10为有源阻抗匹配方式的最大效率追踪方法流程图。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明的具体实施方式提供了一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，建立MCR-WPT系统两种不同谐振补偿拓扑结构的数学模型；如图1所示，所述MCR-WPT系统包括依次连接的逆变电路、谐振电路、整流电路、自适应有源阻抗匹配网络；所述自适应有源阻抗匹配网络包括Buck-Boost变换器电路；所述谐振电路通过切换开关K1、切换开关K2联合切换成S-S型谐振补偿拓扑结构和S-P型谐振补偿拓扑结构，分别构成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统和S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统。断开切换开关K1、切换开关K2，选择S-S型谐振补偿拓扑结构，构成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统，系统工作在轻载工作模式。闭合切换开关K1、切换开关K2，选择S-P型谐振补偿拓扑结构，构成S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统，系统工作在重载工作模式。
所述谐振回路包括发射回路和接收回路；如图2(a)所示，所述S-S型谐振补偿拓扑结构的发射回路为接收线圈和发射线圈谐振补偿电容串联，接收回路为接收线圈和接收线圈谐振补偿电容串联，其中，
Figure BDA0003679463840000091
为交流源；L1为发射线圈；C1为发射线圈谐振补偿电容；R1为发射线圈内阻；L2为接收线圈；C2为接收线圈谐振补偿电容；R2为接收线圈内阻；RL为接收线圈的负载阻抗；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；L1、C1构成串联发射回路；L2、C2构成串联接收回路。如图2(b)所示，所述S-P型谐振补偿拓扑结构的发射回路为接收线圈和发射线圈谐振补偿电容串联，接收回路为接收线圈和接收线圈谐振补偿电容并联，其中，系统发射回路仍为L1、C1串联构成，但是接收回路由L2、C2并联构成。S-P型谐振补偿拓扑结构除了谐振补偿方式与S-S型谐振补偿拓扑结构不同外，其总体构造与S-S型谐振补偿拓扑结构接近，两个谐振补偿拓扑结构的参数一致。
步骤S2，分别计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSS和S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSP。
S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型的计算方式如下：利用基尔霍夫定律列出S-S型谐振补偿拓扑结构的谐振电路模型的回路方程为：
Figure BDA0003679463840000092
其中，R1为发射线圈内阻；L1为发射线圈电感；C1为发射线圈谐振补偿电容；
Figure BDA0003679463840000093
为交流源；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；R2为接收线圈内阻；L2为接收线圈电感；C2为接收线圈谐振补偿电容；RL为接收线圈的负载阻抗；
ω＝2πf为S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统工作角频率，其中系统的工作频率f参考2016年美国汽车工程协会(Society of Automotive Engineers，SAE)发布的SAETIR J2954无线充电标准，其典型谐振频率为85kHz；
Figure BDA0003679463840000101
为发射侧的回路电流；
Figure BDA0003679463840000102
为接收侧的回路电流。
当S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统谐振时有：
Figure BDA0003679463840000103
S-S型谐振补偿拓扑结构的接收回路的反射阻抗Zref为：
Figure BDA0003679463840000104
S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统谐振时，S-S型谐振补偿拓扑结构的发射端的输入阻抗Zin为：
Figure BDA0003679463840000105
则S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSS为：
Figure BDA0003679463840000106
使用MATLAB软件对S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSS进行分析，得到S-S型谐振补偿拓扑结构下负载阻抗RL在不同耦合情况下与系统传输效率ηSS之间的三维曲线如图3所示。由图3可知：S-S型谐振补偿拓扑结构在负载较小且耦合程度较低的情况下传输效率较高，且存在唯一的传输效率极大值点ηMax-SS，此时对应的负载阻抗值为RL-ηMax-SS。但随着负载阻抗值增大，传输效率ηSS趋于下降。
S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型的计算方式如下：利用基尔霍夫定律列出S-P谐振补偿拓扑结构的谐振电路模型的回路方程为：
Figure BDA0003679463840000111
其中，R1为发射线圈内阻；L1为发射线圈电感；C1为发射线圈谐振补偿电容；
Figure BDA0003679463840000112
为交流源；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；R2为接收线圈内阻；L2为接收线圈电感；C2为接收线圈谐振补偿电容；RL为接收线圈的负载阻抗；ω为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统工作角频率，与S-S型谐振补偿拓扑结构一致；
Figure BDA0003679463840000113
为发射侧的回路电流；
Figure BDA0003679463840000114
为接收侧的回路电流。
S-P谐振补偿拓扑结构的接收线圈反射到发射线圈的反射阻抗为：
Figure BDA0003679463840000115
当S-P谐振补偿拓扑结构的发射线圈与接收线圈谐振时，反射阻抗为：
Figure BDA0003679463840000116
求得S-P谐振补偿拓扑结构的发射端
Figure BDA0003679463840000117
接收端电流
Figure BDA0003679463840000118
表达式为：
Figure BDA0003679463840000119
此时S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输角频率为：
Figure BDA0003679463840000121
求出S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSP为：
Figure BDA0003679463840000122
若不考虑线圈等效阻抗，S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的的传输效率可以简化为：
Figure BDA0003679463840000123
使用MATLAB软件对S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSP进行分析，得到S-P型谐振补偿拓扑结构下负载阻抗RL在不同耦合情况下与系统传输效率ηSP之间的三维曲线如图4所示。由图4可知：S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSP与负载值RL呈正相关的关系，即：负载值RL越大，系统的传输效率ηSP越高并最终趋于平缓，最终达到传输效率峰值ηMax-SP，此时对应的负载值为RL-ηMax-SP。
步骤S3，根据式(5)与式(11)通过MATLAB绘出两种不同谐振补偿拓扑结构负载RL与MCR-WPT系统的传输效率η的关系曲线图如图5所示。
由图5可知，S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统在负载较小的情况下传输效率要优于S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统，且系统存在着唯一效率最大值点ηMax-SS，此时对应的最优负载阻抗值RL-ηMax-SS。但是随着负载值RL的增大，S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率逐渐增大并最终优于S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统。两种谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率曲线在工作频率与互感相同的条件下会有一个交点，即ηMransfer，此时对应的负载阻抗值为RL-Pi。计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型与S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型相等时对应的负载阻抗值RL-Pi，并以此作为谐振电路切换点的负载阻抗值；谐振电路切换点的负载阻抗值RL-Pi的计算方式为：
令ηSS＝ηSP，则：
Figure BDA0003679463840000131
当负载阻抗值RL＜RL-Pi时，S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率更高，断开切换开关K1、切换开关K2，切换成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统进行电能传输；当负载阻抗值RL＞RL-Pi时，S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率更高，闭合切换开关K1、切换开关K2，切换成S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统进行电能传输。以RL-Pi为判定条件，提出了基于补偿拓扑结构切换的最大效率追踪方法，其流程图如图6所示。即系统处于负载较小(负载阻抗RL＜RL-Pi)的情况下，线圈补偿拓扑结构为S-S型，系统工作在轻载模式；当系统处于负载较大(负载阻抗RL＞RL-Pi)的情况下，线圈补偿拓扑结构为S-P型，系统工作在重载模式，从而实现了宽负载变化范围下的MCR-WPT系统最大效率追踪。
步骤S4，根据单依靠谐振补偿拓扑结构的切换的方法存在着效率追踪盲区的问题，使用有源Buck-Boost阻抗匹配方法解决追踪盲区，实现全负载变化范围内的最大效率追踪控制。MCR-WPT系统中一般通过增设DC/DC直流变换器来实现有源阻抗匹配，典型的有源阻抗匹配的DC/DC直流变换器包括Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路等。图7为基于有源阻抗匹配方式的MCR-WPT系统阻抗匹配网络的电路拓扑图，当负载RL发生变化时，通过调节DC/DC变换器的占空比，即可改变等效输入阻抗RL'。当RL'与最优负载阻抗RL-ηMax相同时，即可实现对系统的最大传输效率追踪。
计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型与S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型分别达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax；控制Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo，变换接收线圈等效输入阻抗R'L使其等效为RL-ηMax，实现对MCR-WPT系统的最大效率追踪。
S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax-SS的计算方式如下：
在式(5)中S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSS对负载阻抗值RL求偏导得：
Figure BDA0003679463840000141
求得S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax-SS为：
Figure BDA0003679463840000142
Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo的计算方式如下：
图8为基于Buck-Boost直流变换器的自适应有源阻抗匹配网络的电路拓扑图。当负载阻抗RL发生变化时，可以通过改变MOSFET开关管Q1的占空比DBu-Bo来调节Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr，Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr与占空比DBu-Bo的关系为：
Figure BDA0003679463840000143
接收线圈的等效负载阻抗RL'与Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr的关系为：
Figure BDA0003679463840000144
故负载阻抗RL与接收线圈等效输入阻抗RL'可以通过式(15)与式(16)进行联立，即在负载阻抗RL变化的情况下，即可以通过改变MOSFET开关管Q1的占空比DBu-Bo来调节接收线圈等效输入阻抗RL'的值，其表达式如式(17)所示，以实现阻抗匹配。联立公式(15)与公式(16)得到接收线圈的负载阻抗RL与接收线圈的等效负载阻抗RL'的关系为：
Figure BDA0003679463840000151
系统传输效率可以取得唯一最优值，进而求解基于最优传输效率的最优占空比DηMax并调节Buck-Boost电路中控制MOSFET晶闸管Q1的PWM波形的占空比DBu-Bo＝DηMax以实现最大效率点的跟踪。
令：
RL'＝RL-ηMax；(18)
则：
Figure BDA0003679463840000152
图9所示为由式(17)绘制的系统等效输入阻抗RL'与负载阻抗RL、占空比DBu-Bo之间的关系三维图，由图9可知，占空比DBu-Bo越小，系统的等效输入阻抗越大，但是过低的占空比会使系统功率提升，造成系统过热、超过MOSFET晶闸管电压电流应力等问题的出现。过高的占空比会使系统的等效输入阻抗过小，无法将系统的等效输入阻抗变换至S-P型补偿拓扑结构的最优负载。且S-P型补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率随着负载的增大呈现出对数增长趋势，即系统传输效率前期随着负载的增大而增长较快，后期增长较慢并最终趋于平缓，到达1kΩ时变化率几乎为零，因此综上考虑选择在线圈工作在重载工作模式时，即当系统为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统时，控制Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo在合适范围内，具体可将系统的占空比DBu-Bo调节为30％-40％左右，此时接收线圈的等效负载阻抗RL'约为1kΩ左右。而S-S型谐振补偿拓扑结构的最优占空比调节则是将式(14)代入式(19)中进行调节。
本发明所采用的有源阻抗匹配方式的最大效率追踪方法，其流程图如图10所示。当MCR-WPT系统的补偿拓扑结构切换后，即工作模式确定后，及时的使用有源阻抗匹配网络变换等效输入阻抗R'L使其等效为RL-ηMax，实现对系统的最大效率追踪。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，建立MCR-WPT系统两种不同谐振补偿拓扑结构的数学模型；所述MCR-WPT系统包括依次连接的逆变电路、谐振电路、整流电路、自适应有源阻抗匹配网络；所述自适应有源阻抗匹配网络包括Buck-Boost变换器电路；所述谐振电路通过切换开关切换成S-S型谐振补偿拓扑结构和S-P型谐振补偿拓扑结构，分别构成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统和S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统；所述谐振回路包括发射回路和接收回路；所述S-S型谐振补偿拓扑结构的发射回路为接收线圈和发射线圈谐振补偿电容串联，接收回路为接收线圈和接收线圈谐振补偿电容串联；所述S-P型谐振补偿拓扑结构的发射回路为接收线圈和发射线圈谐振补偿电容串联，接收回路为接收线圈和接收线圈谐振补偿电容并联；
步骤S2，分别计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSS和S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSP；
步骤S3，计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型与S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型相等时对应的负载阻抗值RL-Pi，并以此作为谐振电路切换点的负载阻抗值；当负载阻抗值RL＜RL-Pi时，通过切换开关切换成S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统进行电能传输；当负载阻抗值RL＞RL-Pi时，通过切换开关切换成S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统进行电能传输；
步骤S4，计算S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型与S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型分别达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax；控制Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo，变换接收线圈等效输入阻抗R'L使其等效为RL-ηMax，实现对MCR-WPT系统的最大效率追踪。
2.根据权利要求1所述的一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤S2中S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型的计算方式如下：
利用基尔霍夫定律列出S-S型谐振补偿拓扑结构的谐振电路模型的回路方程为：
Figure FDA0003679463830000021
其中，R1为发射线圈内阻；L1为发射线圈电感；C1为发射线圈谐振补偿电容；
Figure FDA0003679463830000022
为交流源；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；R2为接收线圈内阻；L2为接收线圈电感；C2为接收线圈谐振补偿电容；RL为接收线圈的负载阻抗；ω为S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统工作角频率，
Figure FDA0003679463830000023
为发射侧的回路电流；
Figure FDA0003679463830000024
为接收侧的回路电流；
当S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统谐振时有：
Figure FDA0003679463830000025
S-S型谐振补偿拓扑结构的接收回路的反射阻抗Zref为：
Figure FDA0003679463830000026
S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统谐振时，S-S型谐振补偿拓扑结构的发射端的输入阻抗Zin为：
Figure FDA0003679463830000027
则S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSS为：
Figure FDA0003679463830000031
3.根据权利要求2所述的一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤S2中S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型的计算方式如下：
利用基尔霍夫定律列出S-P谐振补偿拓扑结构的谐振电路模型的回路方程为：
Figure FDA0003679463830000032
其中，R1为发射线圈内阻；L1为发射线圈电感；C1为发射线圈谐振补偿电容；
Figure FDA0003679463830000033
为交流源；M为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；R2为接收线圈内阻；L2为接收线圈电感；C2为接收线圈谐振补偿电容；RL为接收线圈的负载阻抗；
ω为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统工作角频率，
Figure FDA0003679463830000034
为发射侧的回路电流；
Figure FDA0003679463830000035
为接收侧的回路电流；
S-P谐振补偿拓扑结构的接收线圈反射到发射线圈的反射阻抗为：
Figure FDA0003679463830000036
当S-P谐振补偿拓扑结构的发射线圈与接收线圈谐振时，反射阻抗为：
Figure FDA0003679463830000037
求得S-P谐振补偿拓扑结构的发射端
Figure FDA0003679463830000038
接收端电流
Figure FDA0003679463830000039
表达式为：
Figure FDA0003679463830000041
此时S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输角频率为：
Figure FDA0003679463830000042
求出S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率ηSP为：
Figure FDA0003679463830000043
4.根据权利要求3所述的一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤S3中谐振电路切换点的负载阻抗值RL-Pi的计算方式为：
令ηSS＝ηSP，则：
Figure FDA0003679463830000044
5.根据权利要求2所述的一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，所述S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax-SS的计算方式如下：
在式(5)中S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型ηSS对负载阻抗值RL求偏导得：
Figure FDA0003679463830000045
求得S-S型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统的传输效率模型达到最大值时对应的最优负载阻抗RL-ηMax-SS为：
Figure FDA0003679463830000051
6.根据权利要求1所述的一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤S4中Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo的计算方式如下：Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr与占空比DBu-Bo的关系为：
Figure FDA0003679463830000052
其中RL为接收线圈的负载阻抗；
接收线圈的等效负载阻抗RL'与Buck-Boost变换器电路的等效阻抗RLeqr的关系为：
Figure FDA0003679463830000053
联立公式(15)与公式(16)得到接收线圈的负载阻抗RL与接收线圈的等效负载阻抗RL'的关系为：
Figure FDA0003679463830000054
令：
RL'＝RL-ηMax；(18)
则：
Figure FDA0003679463830000055
7.根据权利要求1所述的一种MCR-WPT系统的最大效率追踪控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，当系统为S-P型谐振补偿拓扑结构的MCR-WPT系统时，控制Buck-Boost变换器电路的占空比DBu-Bo在30％-40％范围内。
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