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专利号: 2020107385602
申请人: 东北林业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 发电、变电或配电
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,所述动态调谐方法包括以下步骤:步骤一、基于带有对称结构的软开关可控电容的可实现动态调谐的硬件电路,得到串串补偿拓扑的零相位稳频判据;

步骤二、通过相位判断法和零值搜索方法实现所述串串补偿拓扑的零相位稳频判据;

步骤三、根据零相位稳频判据对软开关可控电容的等效电容值进行调节,从而进行动态调谐。

2.根据权利要求1所述的一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,在步骤一中,所述可实现动态调谐的硬件电路等效为串串补偿拓扑的互感模型,所述互感模型包括:发射端和接收端,所述发射端包括直流电源、发射端线圈和发射端软开关可控电容,所述直流电源、发射端线圈和发射端软开关可控电容依次连接形成闭环,所述接收端包括等效负载、接收端线圈和接收端软开关可控电容,所述等效负载、接收端线圈和接收端软开关可控电容依次连接形成闭环,定义L1和L2分别为发射端线圈和接收端线圈的自感值,C1和C2分别为发射端线圈和接收端线圈的补偿电容值,M为发射端线圈和接收端线圈之间互感值,i1和i2分别为发射端线圈和接收端线圈中谐振电流,Ro和Uo分别为等效负载的电阻值和电压值,us为逆变器的输出电压值。

3.根据权利要求1所述的一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,所述零相位稳频判据包括接收端稳频判据和发射端稳频判据,其中,所述接收端稳频判据:L2和C2存在参数漂移时,接收线圈中谐振电流i2与发射线圈中谐振电流i1之间相量表达式为:由式(1)可知:接收端工作于谐振状态时,i2超前i1且相位差γ2为90°;接收端工作于失振状态时,式(2)所示γ2不为90°,将i2滞后90°与i1之间相位差定义为γd2,即接收端工作于谐振状态时γd2=0,所述发射端稳频判据:假定接收端工作于谐振状态,发射端工作于谐振状态时,全桥逆变器输出电压us与i1之间相量关系表示为式(3),由式(3)可知:发射端工作于谐振状态时,us与i1同相位,即γ1为0°;发射端工作于失谐状态时,式(4)所示γ1不为0°,考虑全桥逆变器中开关管的ZVS软开关时,校正γ1实现i1适当地滞后us,并且以此作为发射端谐振状态判据,

4.根据权利要求1所述的一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,所述带有对称结构的软开关可控电容包括:开关管S1、开关管S2、二极管D1、二极管D2、电容Ca、电容C1s和电容C2s,所述电容C1s、开关管S1、电容C2s和开关管S2依次串联,所述电容Ca和所述电容C1s与开关管S1构成的桥臂、电容C2s和开关管S2构成的桥臂并联,所述二极管D1和开关管S1反并联,所述二极管D2和开关管S2反并联,带有对称结构的软开关可控电容的干路电流为is并且端电压为us。

5.根据权利要求4所述的一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,S1的控制信号与is的过零点同步且S2的控制信号延迟半个周期,从而实现开关管S1和开关管S2的ZVS软开关,同时,对称型可控电容采用两个开关管实现正负半周期内对称导通,从而波形对称且无畸变以及不存在直流偏置,假定C1s=C2s=C,根据开关管S1和开关管S2控制信号的占空比D取值区间不同,软开关可控电容的工作模态分为:0≤D≤0.25,0.25<D≤0.5以及0.5<D,情况一:0≤D≤0.25,一个周期内,开关管S1和开关管S2以及二极管D1和二极管D2各导通

2Dπ的时间,并且6个工作模态对应于t0~t6中6个时间段,

模态1[t0~t1]:开关管S1导通且开关管S2关断,二极管D1和二极管D2均不工作,电容C1s和电容Ca同时充电,电容C2s的端电压u2c保持不变;

模态2[t1~t2]:开关管S1和开关管S2均关断,二极管D1和二极管D2均不工作,电容C1s和电容C2s不充电并且电容C1s的端电压u1c和u2c保持不变,电容Ca充电;

模态3[t2~t3]:开关管S1和开关管S2均关断,二极管D1不工作,二极管D2工作,电容Ca和电容C2s同时充电并且u1c保持不变;

模态4[t3~t4]:开关管S1关断且开关管S2导通,二极管D1和二极管D2均不工作,电容Ca充电且电容C2s放电,u1c保持不变;

模态5[t4~t5]:开关管S1和开关管S2均关断,二极管D1和二极管D2均不工作,电容Ca放电,u1c和u2c保持不变;

模态6[t5~t6]:开关管S1和开关管S2均关断,二极管D1工作,二极管D2不工作,电容C1s和电容Ca放电,u2c保持不变,模态3和模态6中二极管D1和二极管D2导通时,开关管S1和开关管S2的端电压为零,从而实现开关管S1和开关管S2的ZVS软开关,基于上述分析,0≤D≤0.25时等效电容值Ceq的表达式为,

情况二:0.25<D≤0.5,电容C1s和电容C2s充电时存在交叉,二极管D1和二极管D2导通时间有所变化,6个工作模态对应于t0~t6中6个时间段,模态1[t0~t1]:开关管S1导通且开关管S2关断,二极管D1和二极管D2均不工作,电容C1s和电容Ca同时充电,u2c保持不变;

模态2[t1~t2]:开关管S1导通且开关管S2关断,二极管D1不工作,二极管D2工作,电容C1s、电容Ca和电容C2s同时充电;

模态3[t2~t3]:开关管S1和开关管S2均关断,二极管D1不工作,二极管D2工作,电容Ca和电容C2s同时充电,u1c保持不变;

模态4[t3~t4]:开关管S1关断且开关管S2导通,二极管D1和二极管D2均不工作,电容Ca和电容C2s同时放电,u1c保持不变;

模态5[t4~t5]:开关管S1关断且开关管S2导通,二极管D1工作,二极管D2不工作,电容C1s、电容Ca和电容C2s同时放电;

模态6[t5~t6]:开关管S1和开关管S2均关断,二极管D1工作,二极管D2不工作,电容C1s和电容Ca同时放电,模态3和模态6中二极管D1和二极管D2导通时,开关管S1和开关管S2的端电压为零,从而实现ZVS软开关,基于上述分析,0.25<D≤0.5时可调等效电容值Ceq的表达式为

情况三:0.5<D,电容C1s和电容C2s的充放电周期与电容Ca的充放电周期完全同步,此时控制D无法调节Ceq,也即软开关可控电容失效,综上所述,D的有效调节区间为0~0.5并且Ceq调节范围为Ca~(Ca+2C)。

6.根据权利要求5所述的一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,在步骤三中,软开关可控电容的控制电路工作原理:电流传感器采集流过软开关可控电容干路的谐振电流,以此为基准生成两路相位差为180°的PWM信号,从而实现软开关可控电容中开关管S1和开关管S2的ZVS软开关,零相位差搜索电路的输出信号控制上述两路PWM信号的占空比D,从而调节等效电容值。

7.根据权利要求5所述的一种面向串串补偿拓扑的无线充电系统动态调谐方法,其特征在于,在步骤三中,动态调谐方法的工作原理:电流传感器采集的i1和i2,经过信号调理电路和高速A/D转换器后,控制器计算i1和i2以及i1和us之间相位差,并且采用变步长扰动观测法搜索零相位差,从而输出软开关可控电容的控制信号。