CN112491161B - 基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法 - Google Patents

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Abstract

基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，涉及无线充电领域。本发明是为了解决现有在无线电能传输***运行之前调谐方式复杂的问题。本申请先是对发射端补偿电容调节，调节后使接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐，再对接收端补偿电容调节，调节后使接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；从而实现对接收端补偿电容和发射端补偿电容的调谐。它用于对补偿电容进行调谐。

Description

基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法
技术领域
本发明涉及无线充电补偿电容调谐方法。属于无线充电领域。
背景技术
对于串串(SS)补偿无线电能传输***中的补偿电路，其作用是在***运行的开关频率处抵消耦合机构中原副边线圈的感性分量，尽可能得减小***无功功率，同时使***输出具有恒压或恒流特性。然而实际应用中出于下列原因，补偿电路中的补偿电容值难以与耦合机构的自感值精确配谐，原因包括大规模生产制造的电感电容器件参数误差、***运行时电容电感参数值的温漂、原副边线圈相对位置变化引起的自感值变化等。对于电感电容参数值变化导致的补偿电路与耦合机构失谐问题，可利用可调电容(比如连续可调的开关电容或者使用开关控制的电容矩阵等)的在线调整实现自动调谐。对于无线电能传输***中可调电容的应用，可在***运行之前进行耦合机构自感值的参数识别，根据参数识别得到的自感值可计算出可调电容的理想目标值。然而这种基于参数识别的可调电容调节方法由于参数识别阶段的加入会增加***的软硬件成本，另一方面当***运行完参数识别后，可调电容的目标调节值就已确定，对于之后***运行产生的温漂问题，则需要再次运行参数识别才能实现配谐，而这又增加了***运行的复杂度。
发明内容
本发明是为了解决现有在无线电能传输***运行之前调谐方式复杂的问题。现提供基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法。
基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，所述补偿电容调谐方法包括以下步骤：
步骤1、根据串串补偿电路的无线电能传输***，得到串串补偿电路的无线电能传输***中接收端等效电阻的电压增益模值；
步骤2、当串串补偿电路的无线电能传输***的发射端为恒流控制时，采用爬山算法对接收端补偿电容的容值进行自动调节，当检测到接收端等效电阻的电压增益模值达到预设值时，停止对接收端补偿电容调节，此时接收端补偿电容偏谐系数等于1，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；当串串补偿电路的无线电能传输***发射端无恒流控制时，通过无线通讯方式将发射端线圈电流的幅值传递至接收端线圈，采用爬山算法自动调节接收端补偿电容的容值，使得负载电压增益模值达到预设值，此时接收端补偿电容偏谐系数等于1，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；
步骤3、步骤2调节完毕后，接收端在发射端的反射阻抗成阻性，得到发射端逆变器输出端向补偿网络方向看的阻抗角；
步骤4、通过自动调整发射端中的补偿电容的容值，当检测到阻抗角为零时，发射端补偿电容为配谐的电容值，此时发射端补偿电容偏谐系数等于1，从而实现对接收端补偿电容和发射端补偿电容的调谐。
优选地，步骤2中，接收端补偿电容值偏谐系数表示为：
Figure BDA0002790633640000021
式中，当接收端补偿电容值偏谐系数k值为1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐，当k大于1或者k小于1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感发生偏谐，ω为角频率，LS为接收端线圈自感值，CS为接收端补偿电容。
优选地，步骤1中，接收端等效电阻的电压增益模值表示为：
Figure BDA0002790633640000022
式中，
Figure BDA0002790633640000023
ve为接收端等效电阻的电压，VLoad为负载电压，Re为接收端等效电阻，RLoad为负载电阻，RS为接收端线圈内阻，j表示复数，IP为发射端线圈电流，M为耦合机构线圈互感值。
优选地，发射端补偿电容值偏谐系数表示为：
Figure BDA0002790633640000024
式中，当发射端补偿电容值偏谐系数k值为1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感配谐，当k大于1或者k小于1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感发生偏谐，ω为角频率，LP为发射端线圈自感值，CP为发射端补偿电容。
优选地，步骤4中，阻抗角表示为：
Figure BDA0002790633640000031
式中，RP为发射端线圈内阻，Rr为发射端的反射阻抗，θ为阻抗角。
本发明的有益效果为：
本申请在SS补偿的无线电能传输***中，可根据***输出电压的变化对接收端补偿电容进行自动调谐。当***接收端等效电阻的电压或者接收端等效电阻的电压增益达到预设值(预设值为最大值，因为当接收端等效电阻的电压增益达到最大值时，此时接收端补偿电容最小，所以不用再继续调节接收端补偿电容了)时，接收端补偿电容的容值即为精确配谐的电容值，此时耦合机构传输的功率仅含有有功功率。对于发射端补偿电容的自动调谐，当接收端补偿电容调谐完毕后，可根据逆变输出电压与逆变输出电流的相位角对发射端补偿电容进行自动调谐，当相位角为0°时，发射端补偿电容的容值即为精确配谐时的电容值，此时逆变器输出功率仅含有有功功率。
本申请提出的SS补偿无线电能传输补偿电容自动调谐方法操作简单，无需***对耦合机构发射端和接收端线圈的自感值进行参数识别，可始终根据***输出电压变化及逆变器输出阻抗角进行自动调整，使得逆变器输出功率和耦合机构传递功率仅包含有功功率，可使***实现最大有功功率输出及有益于***传输效率的提高。
附图说明
图1为基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法的流程图；
图2为基于串串补偿电路的无线电能传输***的电路原理图；
图3为接收端补偿电容或发射端补偿电容的一种实现方式图；
图4为接收端补偿电容或发射端补偿电容的另一种实现方式图；
图5为接收端基波等效电路；
图6为接收端补偿电容调整完毕后的发射端等效电路图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，所述补偿电容调谐方法包括以下步骤：
步骤1、根据串串补偿电路的无线电能传输***，得到串串补偿电路的无线电能传输***中接收端等效电阻的电压增益模值；
步骤2、当串串补偿电路的无线电能传输***的发射端为恒流控制时，采用爬山算法对接收端补偿电容的容值进行自动调节，当检测到接收端等效电阻的电压增益模值达到预设值时，停止对接收端补偿电容调节，此时接收端补偿电容偏谐系数等于1，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；当串串补偿电路的无线电能传输***发射端无恒流控制时，通过无线通讯方式将发射端线圈电流的幅值传递至接收端线圈，采用爬山算法自动调节接收端补偿电容的容值，使得负载电压增益模值达到预设值，此时接收端补偿电容偏谐系数等于1，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；
步骤3、步骤2调节完毕后，接收端在发射端的反射阻抗成阻性，得到发射端逆变器输出端向补偿网络方向看的阻抗角；
步骤4、通过自动调整发射端中的补偿电容的容值，当检测到阻抗角为零时，发射端补偿电容为配谐的电容值，此时发射端补偿电容偏谐系数等于1，从而实现对接收端补偿电容和发射端补偿电容的调谐。
本实施方式中，步骤2为接收端补偿电容的自动调谐步骤；步骤4为发射端补偿电容的自动调谐步骤。
对于接收端补偿电容的自动调谐步骤：当接收端电路中的补偿电容值不能与耦合机构接收端线圈自感值精确配谐时，可认为接收端补偿电容值相对于接收端线圈自感值发生偏谐，为了便于说明，可定义接收端补偿电容值偏谐系数k，当k值为1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感精准配谐，当k大于1或者k小于1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感发生偏谐，如公式1所示，对于SS补偿无线电能传输***的接收端电路，应用基波近似分析法并且考虑接收端线圈内阻RS，其等效电路如图5所示。
对于图5所示的等效电路，电压增益和增益的模值可由公式2所表示。
在负载电阻RLoad或者等效负载电阻Re保持不变的前提下，根据公式2中电压增益模值的分母部分可知，当电容偏谐系数k为1时，即接收端补偿电容与接收端线圈自感值精确配谐，电压增益模值达到最大值，而当电容偏大或者偏小时，电压增益模值随着偏离程度的增大而不断降低。由此可利用爬山算法不断调整接收端可调电容的容值，当电压增益模值最大时停止调整可调电容的容值，此时可调电容容值即为精确配谐的电容值。
对于电压增益模值的检测，根据式
Figure BDA0002790633640000041
可知，当发射端使用恒流控制时即发射端线圈电流IP保持恒定，如通过移相控制，则可通过等效负载电压ve的变化即可确定接收端可调电容的精确配谐电容值，由于等效负载电压ve与负载电压VLoad成比例，如
Figure BDA0002790633640000051
则当发射端使用恒流控制时，可利用爬山算法不断调节接收端可调电容的容值，当所检测的负载电压VLoad达到最大值时，此时的接收端可调电容容值即为精确配谐的电容值。如果发射端无恒流控制，则需要通过无线通讯的方式将发射端线圈电流的幅值或有效值传递至副边，再利用爬山算法不断调节接收端可调电容的容值，当负载电压VLoad与原边电流IP的比值达到最大时，可调电容的容值即为精确配谐时的容值。
对于发射端补偿电容的自动调谐步骤：当接收端可调电容调整完毕后，接收端电路在发射端的反射阻抗Rr呈阻性，此时发射端电路的基波等效电路如图6所示。为了便于说明，定义发射端补偿电容值偏谐振系数k，当k值为1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感精准配谐，当k大于1或者k小于1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感发生偏谐，如公式4所示。对于图4所示的等效电路，从逆变器输出端向补偿电路方向看的输入阻抗Zin由
Figure BDA0002790633640000052
表示。通过
Figure BDA0002790633640000053
可知，阻抗角θ的值与电容偏离系数k的关系为单调递增关系，即当k大于1时，阻抗角θ随着k的增大而增大，而当k小于1时，当k不断减小，阻抗角θ随着k的减小而不断减小。因此对于发射端可调电容的自动调谐，可通过检测阻抗角来实现，即不断调整发射端可调电容的容值，当阻抗角θ为0°时，即逆变电压和逆变电流的相位差为0°时，此时发射端可调电容容值即为精确配谐时的容值，同时逆变器和耦合机构所传输的功率仅含有有功功率。
图2中Vsource为输入电压，ip为发射端补偿网络电流，is为接收端补偿网络电流。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法作进一步说明，本实施方式中，步骤2中，接收端补偿电容值偏谐系数表示为：
Figure BDA0002790633640000054
式中，当接收端补偿电容值偏谐系数k值为1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐，当k大于1或者k小于1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感发生偏谐，ω为角频率，LS为接收端线圈自感值，CS为接收端补偿电容。
具体实施方式三：本实施方式所述的基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，步骤1中，接收端等效电阻的电压增益模值表示为：
Figure BDA0002790633640000061
式中，
Figure BDA0002790633640000062
ve为接收端等效电阻的电压，VLoad为负载电压，Re为接收端等效电阻，RLoad为负载电阻，RS为接收端线圈内阻，j表示复数，IP为发射端线圈电流，M为耦合机构线圈互感值。
本实施方式中，耦合机构指补偿网络中的发射线圈和接收线圈。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法作进一步说明，本实施方式中，发射端补偿电容值偏谐系数表示为：
Figure BDA0002790633640000063
式中，当发射端补偿电容值偏谐系数k值为1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感配谐，当k大于1或者k小于1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感发生偏谐，ω为角频率，LP为发射端线圈自感值，CP为发射端补偿电容。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法作进一步说明，本实施方式中，步骤4中，阻抗角表示为：
Figure BDA0002790633640000064
式中，RP为发射端线圈内阻，Rr为发射端的反射阻抗，θ为阻抗角。

Claims (5)

1.基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，其特征在于，所述补偿电容调谐方法包括以下步骤：
步骤1、根据串串补偿电路的无线电能传输***，得到串串补偿电路的无线电能传输***中接收端等效电阻的电压增益模值；
步骤2、当串串补偿电路的无线电能传输***的发射端为恒流控制时，采用爬山算法对接收端补偿电容的容值进行自动调节，当检测到接收端等效电阻的电压增益模值达到预设值时，停止对接收端补偿电容调节，此时接收端补偿电容偏谐系数等于1，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；当串串补偿电路的无线电能传输***发射端无恒流控制时，通过无线通讯方式将发射端线圈电流的幅值传递至接收端线圈，采用爬山算法自动调节接收端补偿电容的容值，使得负载电压增益模值达到预设值，此时接收端补偿电容偏谐系数等于1，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐；
步骤3、步骤2调节完毕后，接收端在发射端的反射阻抗成阻性，得到发射端逆变器输出端向补偿网络方向看的阻抗角；
步骤4、通过自动调整发射端中的补偿电容的容值，当检测到阻抗角为零时，发射端补偿电容为配谐的电容值，此时发射端补偿电容偏谐系数等于1，从而实现对接收端补偿电容和发射端补偿电容的调谐。
2.根据权利要求1所述基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，其特征在于，步骤2中，接收端补偿电容值偏谐系数表示为：
Figure FDA0002790633630000011
式中，当接收端补偿电容值偏谐系数k值为1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感配谐，当k大于1或者k小于1时，接收端补偿电容与接收端线圈自感发生偏谐，ω为角频率，LS为接收端线圈自感值，CS为接收端补偿电容。
3.根据权利要求1所述基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，其特征在于，步骤1中，接收端等效电阻的电压增益模值表示为：
Figure FDA0002790633630000012
式中，
Figure FDA0002790633630000021
ve为接收端等效电阻的电压，VLoad为负载电压，Re为接收端等效电阻，RLoad为负载电阻，RS为接收端线圈内阻，j表示复数，IP为发射端线圈电流，M为耦合机构线圈互感值。
4.根据权利要求1所述基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，其特征在于，发射端补偿电容值偏谐系数表示为：
Figure FDA0002790633630000022
式中，当发射端补偿电容值偏谐系数k值为1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感配谐，当k大于1或者k小于1时，发射端补偿电容与发射端线圈自感发生偏谐，ω为角频率，LP为发射端线圈自感值，CP为发射端补偿电容。
5.根据权利要求4所述基于串串补偿电路的无线电能传输***补偿电容调谐方法，其特征在于，步骤4中，阻抗角表示为：
Figure FDA0002790633630000023
式中，RP为发射端线圈内阻，Rr为发射端的反射阻抗，θ为阻抗角。
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