CN117375254A - Ss型wpt系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，具体公开了一种SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法，利用SS型拓扑结构的特点，在保持两个频率上的零相位角的同时，在同一SS无线电能传输系统中实现了f₁(20kHz)和f₂(85kHz)的恒定电压输出，系统在f₁(20kHz)和f₂(85kHz)下的输出功率分别对应于P_out1(22kW)和P_out2(1kW)。并提供了在同一无线充电系统中，通过调整系统频率，实现f₁(20kHz)附近的高功率输出和f₂(85kHz)附近的低功率输出的无线充电控制方法。本发明为双频段无线充电提供了一种简单可行的方式，提高了港口岸电无线充电系统的互操作性，提高了系统兼容性，减小了无线充电系统设备尺寸，使船舶无线充电更加方便。

Description

SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法。

背景技术

无线电能传输(WPT)技术可以实现电能从电网或电池以非接触的方式传输至用电设备，因其具有便捷、灵活、安全、高效等优点，解决了传统电气接触供电方式下的诸多问题，得到了国内外专家学者的广泛关注和研究。无线电能传输系统在为电动汽车、消费电子产品、工业现场设备、水下设备和植入式医疗设备等广泛应用提供电力方面具有许多优势。其非接触式电力传输具有安全、可靠、整洁、美观、方便等优点。

随着电动船舶越来越多，电动船舶的充电需求也随之增高。目前电动船舶的充电方式都是有线充电，这种充电方式受制于天气，经济成本和人力成本大，且接口处容易锈蚀老化，线缆也有破损的风险，会产生极大的安全隐患。而无线充电系统则不存在上述安全隐患，为电动船舶的充电提供了更便捷更安全的选择。然而现有的无线充电装置大多只能输出单一功率，而不同的电动船舶具有不同的功率水平，当不同大小的船舶靠岸，要求不同的功率等级充电，那么就需要不同的无线充电装置，会提高成本而且会降低充电的便利性。现如今常见的大型电动船大功率无线充电，充电频率不应超过20kHz。对于小型电动船的小功率无线充电，充电频率要求在85kHz左右。因此有必要研究如何使同一无线充电装置在两种频率下输出两种不同的功率。

在多功率等级的互操作性的提升方面，已经有许多专家学者进行了一系列研究。有人提出了一种混合WPT系统，该系统集成了串联(SS)和LCL-LCL拓扑结构以补偿功率波动，但是需要制作多个线圈和不对称几何形状的焊盘。有人探索了谐波在感应耦合传输(ICPT)系统中的应用，以实现稳定的功率传输，但是这种方法存在需要分别控制独立频率分支和多对线圈的挑战。此外，还有人引入了双谐振线圈来抵消线圈错位，实现功率稳定输出，但该系统中变换器电流的计算十分复杂。类似地，有人提出了一种对距离变化具有鲁棒性的双匹配方案，但需要两个不同频率的输入源，这增加了调制和零相位角(ZPA)实现的复杂性。还有人提出了一种基于双向LCC拓扑结构的自适应控制器，以实现快速充电。当耦合系数在0.25和0.35之间时，系统效率可以达到91％到94％。然而，该系统功率较小，只是一个实验原型系统，在实际应用之前需要进一步优化。

目前并未有可简单实现双功率稳定输出的无线电能传输系统。

发明内容

本发明提供SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法，解决的技术问题在于：如何设计一种简单实现双功率稳定输出的无线电能传输系统。

为解决以上技术问题，本发明提供一种SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，该SS型WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源U_dc、高频逆变器、原边补偿电容C₁、发射线圈L₁，所述接收端包括顺序连接的接收线圈L₂、副边补偿电容C₂、整流器、滤波电容C_d和负载R_L，其关键在于，该双功率输出参数设计方法具体包括步骤：

S1、确定系统参数，确定期望的两种输出功率P_out1和P_out2，以及输出P_out1和P_out2的系统期望工作频率f₁和f₂；

S2、根据确定的系统参数、P_out1、P_out2确定P_out1、P_out2下对应的系统等效负载R_eq1和R_eq2；

S3、确定L₂的范围，要求L₂满足：

其中，L₂为所述接收线圈的自感，k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，ω₁,ω₂为分别与f₁和f₂对应的角频率；

S4、根据系统在两个频率f₁和f₂下的零相角实现条件、LC谐振关系、L₂的范围，确定所述原边线圈的自感L₁、所述接收线圈的自感L₂、原边补偿电容C₁和所述副边补偿电容C₂；

S5、根据R_eq1和R_eq2设计负载参数R_L。

进一步地，在所述步骤S1中，确定系统参数具体为：

根据实际需求确定系统直流等效电压V_G，确定期望输出功率P_out1和P_out2对应的输出电流I₂₁和I₂₂，确定耦合系数k，以及所述发射线圈的内阻R₁和所述接收线圈的内阻R₂。

进一步地，在所述步骤S2中，根据以下公式确定R_eq1和R_eq2：

P_out1＝I₂₁ ²R_eq1，

P_out2＝I₂₂ ²R_eq2。

进一步地，在所述步骤S4中，系统在两个频率下的零相角实现条件为：

Im(Z_in)＝0

其中，Z_in表示系统的输入阻抗，Im(Z_in)表示Z_in的虚部。

进一步地，Im(Z_in)由下式计算：

其中，ω指ω₁或ω₂，R_eq指R_eq1或R_eq2，ω₁时对应R_eq1，ω₂时对应R_eq2，M表示所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感。

进一步地，f₁＝20kHz，f₂＝85kHz。

进一步地，所述步骤S5具体为，根据以下公式确定R_L：

其中，R_L1为R_eq1对应的负载，R_L2为R_eq2对应的负载。

进一步地，判断所述接收端的期望功率为P_out1还是P_out2，若是P_out1则控制系统的工作频率为f₁，若是P_out2则控制系统的工作频率为f₂。

进一步地，本发明还提供一种SS型WPT系统的充电控制方法，具体为：

判断所述接收端的期望功率为P_out1还是P_out2，若是P_out1则控制系统的工作频率为f₁，若是P_out2则控制系统的工作频率为f₂。

本发明提供的一种SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法，利用SS型拓扑结构的特点，在保持两个频率上的零相位角的同时，在同一SS无线电能传输系统中实现了f₁(20kHz)和f₂(85kHz)的恒定电压输出，系统在f₁(20kHz)和f₂(85kHz)下的输出功率分别对应于P_out1(22kW)和P_out2(1kW)。并提供了在同一无线充电系统中，通过调整系统频率，实现f₁(20kHz)附近的高功率输出和f₂(85kHz)附近的低功率输出的无线充电控制方法。本发明为双频段无线充电提供了一种简单可行的方式，提高了港口岸电无线充电系统的互操作性，提高了系统兼容性，减小了无线充电系统设备尺寸，使船舶无线充电更加方便。

附图说明

图1是本发明实施例提供的SS型WPT系统的电路图；

图2是本发明实施例提供的SS型WPT系统的耦合机构仿真图；

图3是本发明实施例提供的图1的等效电路图；

图4是本发明实施例提供的不同负载的情况下系统的输入阻抗与频率的关系图；

图5是本发明实施例提供的SS型WPT系统的参数设计流程图；

图6是本发明实施例提供的系统输入阻抗和相角随频率变化关系图；

图7是本发明实施例提供的系统输出功率随频率变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。

为了研究SS型无线电能传输(WPT)系统的特性，首先对SS型WPT系统进行分析。图1显示了SS型WPT系统的整体电路图，包括发射端和接收端，发射端包括顺序连接的直流电源U_dc、高频逆变器、原边补偿电容C₁、发射线圈L₁，接收端包括顺序连接的接收线圈L₂、副边补偿电容C₂、整流器、滤波电容C_d和负载R_L。具体的，MOS管Q₁-Q₄作为全桥逆变器，二极管D₁-D₄作为全桥整流器。图2示出了耦合机构的仿真图，从图2可以看到，本发明的SS型WPT系统的发射线圈和接收线圈采用矩形线圈。

图1可以等效于图3所示的系统电路图。在图3中，R₁表示发射线圈的内阻(包括绕组损耗、铁芯损耗、屏蔽损耗等)，R₂表示接收线圈的内阻(包括绕组损耗、铁芯损耗、屏蔽损耗等)，R_eq表示等效负载，M是发射线圈和接收线圈之间的互感，V_G为直流输入的等效电压，i₁(I₁)和i₂(I₂)分别表示发射线圈电流和接收线圈电流。

由图3电路，可得：

其中，Z₁为系统的原边阻抗，Z₂为系统的副边阻抗，Z_r为系统副边对原边的反射阻抗，Z_in为系统的输入阻抗，ω为系统的工作角频率。

根据KVL方程可以得到：

V_G为直流输入的等效电压，表示为：

通过分析Z_in，可以通过设计参数来实现Z_in在20kHz和85kHz的零相位角，这意味着虚部为零，然后可以确定系统其他参数，系统的输入阻抗的虚部表达式如下：

由上式可以得出系统的输出功率为：

P_out＝I₂ ²R_eq (5)

SS型WPT系统在不同负载条件下的输入阻抗和工作频率之间的关系如图4所示。

图4显示了不同负载条件下输入阻抗相对于工作频率的变化。由于初级和拾取补偿网络均调谐至85kHz，因此当系统工作频率为85kHz时，Z_in为纯阻性，如0⁰相位所示。在调谐条件下，如图4所示，如果等效负载电阻R_eq高，则补偿网络表现出较低的输入阻抗，这可以由拾取电路所表现出的电流源输出特性来解释。因此，较高的R_eq对应于较重的负载。实际上，系统可能无法精确地在调谐频率下运行。在重负载下，当工作频率略高于设计调谐频率时，Z_in呈感性，这样可以更容易实现ZVS。如果需要系统工作在固定的频率下，那么可以通过使用更大的额补偿电容来实现Z_in为感性。

在轻载条件下，由图4可以看出输入阻抗的相位在存在三个不同的过零频率，这个现象叫做频率分叉，并且发生在如下条件：

R_eq≤kωL₂ (6)

k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数。

当发生频率分叉时，如果工作频率稍微波动到高于系统设计的谐振频率，会导致系统呈容性，如果采用变频控制器，会导致系统运行不稳定，因为工作频率可能会偏离设计的谐振频率而转向另外两个过零频率，这种现象就是频率分叉，因为发射线圈和接收线圈的耦合系数非常高。那么我们可以利用这个特性，选取其中两个过零频率，通过对系统的参数设计，实现系统在其中一个频率下实现高增益输出，在另一个频率下实现低增益输出，分别对应两种不同的船型。

如图5所示，本发明基于上述分析，提供一种SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，具体包括步骤：

S1、确定系统参数，确定期望的两种输出功率P_out1和P_out2，以及输出P_out1和P_out2的系统期望工作频率f₁和f₂；

S2、根据确定的系统参数、P_out1、P_out2确定P_out1、P_out2下对应的系统等效负载R_eq1和R_eq2；

S3、确定L₂的范围，要求L₂满足：

其中，L₂为所述接收线圈的自感，k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，ω₁,ω₂为分别与f₁和f₂对应的角频率；

S4、根据系统在两个频率f₁和f₂下的零相角实现条件、LC谐振关系、L₂的范围，确定所述原边线圈的自感L₁、所述接收线圈的自感L₂、原边补偿电容C₁和所述副边补偿电容C₂；

S5、根据R_eq1和R_eq2设计负载参数R_L。

在步骤S1中，确定系统参数具体为：

根据实际需求确定系统直流等效电压V_G，确定期望输出功率P_out1和P_out2对应的输出电流I₂₁和I₂₂，确定耦合系数k，以及所述发射线圈的内阻R₁和所述接收线圈的内阻R₂。

在步骤S2中，在所述步骤S2中，根据以下公式确定R_eq1和R_eq2：

P_out1＝I₂₁ ²R_eq1

P_out2＝I₂₂ ²R_eq2

在步骤S4中，系统在两个频率下的零相角实现条件为：

Im(Z_in)＝0

Im(Z_in)由下式计算：

其中，ω指ω₁或ω₂，R_eq指R_eq1或R_eq2，ω₁时对应R_eq1，ω₂时对应R_eq2。

步骤S5具体为，根据以下公式确定R_L：

其中，R_L1为R_eq1对应的负载，R_L2为R_eq2对应的负载。

同时，本发明还提供一种SS型WPT系统的充电控制方法，具体为：

判断接收端的期望功率为P_out1还是P_out2，若是P_out1则控制系统的工作频率为f₁，若是P_out2则控制系统的工作频率为f₂。

从理论上讲，本发明实施例提供的一种SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法及充电控制方法，利用SS型拓扑结构的特点，在保持两个频率上的零相位角的同时，在同一SS无线电能传输系统中实现了f₁(20kHz)和f₂(85kHz)的恒定电压输出，系统在f₁(20kHz)和f₂(85kHz)下的输出功率分别对应于P_out1(22kW)和P_out2(1kW)。并提供了在同一无线充电系统中，通过调整系统频率，实现f₁(20kHz)附近的高功率输出和f₂(85kHz)附近的低功率输出的无线充电控制方法。本发明为双频段无线充电提供了一种简单可行的方式，提高了港口岸电无线充电系统的互操作性，提高了系统兼容性，减小了无线充电系统设备尺寸，使船舶无线充电更加方便。

为了验证提出的方法的有效性，本实施例基于SS型WPT系统，搭建了一套在20kHz时输出功率25kW、85kHz时输出功率1.4kW的无线电能传输系统，在两个输出功率下，等效负载设置为一致，均为5_Ω。系统的电路参数如表1所示：

表1SS型WPT系统参数

在上述参数条件下可以得到系统输入阻抗和相角随频率变化关系，如图6所示。图6仅显示了负载为5Ω时的系统的输入阻抗以及相角。可以看出在频率为20kHz和85kHz时系统输入阻抗为零相角。系统的输出功率如图7所示。

根据仿真验证结果，可以看出，利用SS型WPT系统本身的特性，通过设计系统参数设计，只在同一套无线能量传输设备中调整频率，就可以实现两种功率的零相位角输出，可以实现20kHz频率下输出功率为25kW、85kHz频率下输出功率为1.3kW的大功率无线能量传输。

综上所述，为了解决同一无线电能传输系统输出两种功率等级的问题，本发明首先研究了SS系统的特性，通过对系统特性的研究，发现SS系统存在频率分叉特性，通过对SS系统的参数设计，可以在同一系统中实现20kHz时输出功率25kW，85kHz时输出功率1.3kW。该系统只需改变系统的频率，就可以在同一设备中实现两种功率的零相位角输出。它提高了具有多个功率级别的WPT系统的互操作性，并实现了从同一设备输出两种功率的要求，从而提高了无线电能传输系统多功率等级的兼容性，使无线电能传输技术可以得到更好推广。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，该SS型WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源U_dc、高频逆变器、原边补偿电容C₁、发射线圈L₁，所述接收端包括顺序连接的接收线圈L₂、副边补偿电容C₂、整流器、滤波电容C_d和负载R_L，其特征在于，该双功率输出参数设计方法具体包括步骤：

S1、确定系统参数，确定期望的两种输出功率P_out1和P_out2，以及输出P_out1和P_out2的系统期望工作频率f₁和f₂；

S2、根据确定的系统参数、P_out1、P_out2确定P_out1、P_out2下对应的系统等效负载R_eq1和R_eq2；

S3、确定L₂的范围，要求L₂满足：

其中，L₂为所述接收线圈的自感，k为发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，ω₁,ω₂为分别与f₁和f₂对应的角频率；

S4、根据系统在两个频率f₁和f₂下的零相角实现条件、LC谐振关系、L₂的范围，确定所述原边线圈的自感L₁、所述接收线圈的自感L₂、原边补偿电容C₁和所述副边补偿电容C₂；

S5、根据R_eq1和R_eq2设计负载参数R_L。

2.根据权利要求1所述的SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S1中，确定系统参数具体为：

根据实际需求确定系统直流等效电压V_G，确定期望输出功率P_out1和P_out2对应的输出电流I₂₁和I₂₂，确定耦合系数k，以及所述发射线圈的内阻R₁和所述接收线圈的内阻R₂。

3.根据权利要求2所述的SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据以下公式确定R_eq1和R_eq2：

P_out1＝I₂₁ ²R_eq1，

P_out2＝I₂₂ ²R_eq2。

4.根据权利要求3所述的SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，系统在两个频率下的零相角实现条件为：

Im(Z_in)＝0

其中，Z_in表示系统的输入阻抗，Im(Z_in)表示Z_in的虚部。

5.根据权利要求4所述的SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，其特征在于，Im(Z_in)由下式计算：

其中，ω指ω₁或ω₂，R_eq指R_eq1或R_eq2，ω₁时对应R_eq1，ω₂时对应R_eq2，M表示所述发射线圈与所述接收线圈之间的互感。

6.根据权利要求5所述的SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，其特征在于，f₁＝20kHz，f₂＝85kHz。

7.根据权利要求6所述的SS型WPT系统的双功率输出参数设计方法，其特征在于，所述步骤S5具体为，根据以下公式确定R_L：

其中，R_L1为R_eq1对应的负载，R_L2为R_eq2对应的负载。

8.权利要求1～7任意一项所述的SS型WPT系统的充电控制方法，其特征在于，具体为：

判断所述接收端的期望功率为P_out1还是P_out2，若是P_out1则控制系统的工作频率为f₁，若是P_out2则控制系统的工作频率为f₂。