一種ecpt系統(tǒng)中實現(xiàn)負載軟切換的參數(shù)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及無線電能傳輸系統(tǒng)領(lǐng)域，具體的說，是一種ECPT (Electric-field Coupled Power Transfer，電場親合型無線電能傳輸)系統(tǒng)中實現(xiàn)負載軟切換的參數(shù)設(shè)計 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電能傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術(shù)借助磁場、電場、激光、微波 等軟介質(zhì)實現(xiàn)電能從電源系統(tǒng)到用電設(shè)備的無線接入與傳輸，徹底擺脫了導(dǎo)體連接的束 縛，從而具有便捷、靈活、安全、可靠等優(yōu)點。作為一種電能柔性接入與傳輸方式，其廣大的 市場前景和科學(xué)研究價值，正日益引起同行的高度重視，現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程及自動化 領(lǐng)域研究與開發(fā)的熱點，并于2012和2013年連續(xù)兩次被世界經(jīng)濟論壇列為"對世界影響最 大、最有可能為全球面臨的挑戰(zhàn)提供答案的十大新興技術(shù)之一"。其中，基于電場耦合的能 量傳輸方式具有電能耦合機構(gòu)簡易輕薄，形狀不受限制;在工作狀態(tài)中，電場耦合機構(gòu)的絕 大部分電通量分布于電極之間，對周圍環(huán)境的電磁干擾很小；當電場親合機構(gòu)之間或周圍 存在金屬導(dǎo)體時，不會引起導(dǎo)體產(chǎn)生渦流損耗等特點。因此，國內(nèi)外許多研究團隊越來越關(guān) 注ECPT技術(shù)的研究。
[0003] 在ECPT實際應(yīng)用中，例如電動汽車充電、家用電器和移動消費電子設(shè)備等領(lǐng)域，負 載的種類繁多、功率等級不盡相同，特別是可移動負載設(shè)備經(jīng)常需要從供電系統(tǒng)移入移除。 負載的投入-移除使得ECPT系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，通常會使系統(tǒng)偏離軟開關(guān)，導(dǎo)致開關(guān) 管端電壓和流經(jīng)開關(guān)管的電流發(fā)生突變，對開關(guān)管造成較大的電壓電流沖擊甚至損壞，進 而使得系統(tǒng)無法正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對負載投入-移除使得ECPT系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，通常會對開關(guān)管造成較 大的電壓電流沖擊甚至損壞，使得系統(tǒng)無法正常工作這一問題，本發(fā)明提出了"負載軟切 換"的概念:系統(tǒng)負載在任意時刻的投入-移除，都要保證系統(tǒng)始終處于軟開關(guān)工作狀態(tài)，不 會對開關(guān)管造成明顯的電壓電流過沖。當負載投入時，系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定地為負載提供需 要的功率;當負載移除后，系統(tǒng)工作在低功耗狀態(tài)。本發(fā)明給出了實現(xiàn)系統(tǒng)負載軟切換需具 備的條件，并提出了一種參數(shù)設(shè)計方法使得系統(tǒng)在固定的工作頻率下即可實現(xiàn)負載的軟切 換。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下：
[0006] -種ECPT系統(tǒng)中實現(xiàn)負載軟切換的參數(shù)設(shè)計方法，其關(guān)鍵在于，包括以下步驟：
[0007] 步驟1:選定基于E類變換器的ECPT系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，其原邊電路主要由直流電源、扼 流電感、M0SFET開關(guān)管、調(diào)諧電感、調(diào)諧電感前端旁路電容、調(diào)諧電感后端調(diào)諧電容以及耦 合機構(gòu)中的兩塊發(fā)射極板構(gòu)成；
[0008] 步驟2:選定系統(tǒng)參數(shù)V^Lfi和R，其中V:為直流電源電壓，Lf為扼流電感值，QA 品質(zhì)因數(shù)，R為負載電阻；
[0009] 步驟3:設(shè)定初始參數(shù)f、Cs，其中f?為系統(tǒng)帶負載時的運行頻率，(^為耦合機構(gòu)的等 效電容；
[0010] 步驟4:根據(jù)步驟3所設(shè)定的初始參數(shù)以及電路各參數(shù)之間的關(guān)系計算系統(tǒng)主要參 數(shù)Rs，Ci，C2以及L，其中Rs為負載R經(jīng)過串并聯(lián)等效互換后的等效串聯(lián)電阻，Ci為調(diào)諧電感如 端旁路電容的容值，C 2為調(diào)諧電感后端調(diào)諧電容的容值，L為調(diào)諧電感的感值；
[001 1 ] 步驟5 :計算Rs max和f。1纖；
[0012] 步驟6:判斷是否滿足負載限制條件，如果滿足進入步驟7，否則返回步驟3調(diào)整參 數(shù)f和Cs;
[0013] 步驟7:判斷是否滿足頻率限制條件，如果滿足進入步驟8,否則返回步驟3調(diào)整參 數(shù)f和C s;
[0014]步驟8:給出滿足負載軟切換要求的系統(tǒng)參數(shù)&，C2，L，f和Cs。
[0015]作為進一步描述，步驟4中先將負載電阻R進行串并聯(lián)等效互換，先將串聯(lián)阻抗變 換為并聯(lián)阻抗，然后再將并聯(lián)阻抗變換為串聯(lián)阻抗，使其得到E類變換器的基本電路形式， 最后按照以下關(guān)系式可以得到參數(shù)以及L;
[0020] 上式中，Zcs表示親合機構(gòu)的等效容抗，Ic；表示調(diào)諧電感后端調(diào)諧電容的等效容 抗，《 = 2對。
[0021] 再進一步地，步驟6中負載限制條件為：|RS_RS max| <5,其中Rs _為等效串聯(lián)電阻 Rs隨負載電阻R的變化曲線中最佳工作點的等效電阻值，S為預(yù)設(shè)閾值。
[0022] 步驟7中頻率限制條件為:fcassKhfca纖表示負載移除后開關(guān)管導(dǎo)通時諧振回路 的固有諧振頻率。
[0023]本發(fā)明的有益效果：
[0024]本發(fā)明在目前ECPT技術(shù)研究的基礎(chǔ)之上，針對負載的投入-移除使得系統(tǒng)的拓撲 結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，通常會導(dǎo)致開關(guān)管端電壓和流經(jīng)開關(guān)管的電流發(fā)生突變，對開關(guān)管造成較 大的電壓電流沖擊甚至損壞，進而使得系統(tǒng)無法正常工作這一問題，利用負載移除前后系 統(tǒng)的等效電路形式基本一致的特點，給出了實現(xiàn)系統(tǒng)負載軟切換的條件，并提出了一種參 數(shù)設(shè)計方法使得系統(tǒng)在定頻控制方式下即可實現(xiàn)負載的軟切換。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的方法流程圖；
[0026]圖2是E類變換器的基本拓撲結(jié)構(gòu)；
[0027] 圖3是基于E類變換器的ECPT系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)；
[0028] 圖4是負載移除后開關(guān)管電壓電流波形變化波形；
[0029]圖5是串并聯(lián)阻抗的等效互換關(guān)系圖；
[0030]圖6是等效串聯(lián)電阻Rs隨負載電阻R的變化曲線；
[0031]圖7為負載移除后的ECPT系統(tǒng)等效電路；
[0032]圖8為變量對負載軟切換條件的影響效果圖；
[0033]圖9為融入控制回路的ECPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0034]圖10為負載移除前后阻抗變換網(wǎng)絡(luò)阻抗_相位與頻率的關(guān)系；
[0035]圖11為系統(tǒng)負載移除前后開關(guān)管電壓電流的仿真波形。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】以及工作原理作進一步詳細說明。
[0037] 如圖1所示，一種ECPT系統(tǒng)中實現(xiàn)負載軟切換的參數(shù)設(shè)計方法，包括以下步驟：
[0038] 步驟1:選定基于E類變換器的ECPT系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，其原邊電路主要由直流電源、扼 流電感、M0SFET開關(guān)管、調(diào)諧電感、調(diào)諧電感前端旁路電容、調(diào)諧電感后端調(diào)諧電容以及耦 合機構(gòu)中的兩塊發(fā)射極板構(gòu)成；
[0039] 步驟2:選定系統(tǒng)參數(shù)V^Lfi和R，其中V:為直流電源電壓，Lf為扼流電感值，Ql為 品質(zhì)因數(shù)，R為負載電阻；
[0040] 步驟3:設(shè)定初始參數(shù)f、Cs，其中f?為系統(tǒng)帶負載時的運行頻率，(^為耦合機構(gòu)的等 效電容；
[0041] 步驟4:根據(jù)步驟3所設(shè)定的初始參數(shù)以及電路各參數(shù)之間的關(guān)系計算系統(tǒng)主要參 數(shù)Rs，Ci，C2以及L，其中Rs為負載R經(jīng)過串并聯(lián)等效互換后的等效串聯(lián)電阻，Ci為調(diào)諧電感如 端旁路電容的容值，C 2為調(diào)諧電感后端調(diào)諧電容的容值，L為調(diào)諧電感的感值；
[0042] 步驟5:計算Rs max和fol纖；
[0043] 步驟6:判斷是否滿足負載限制條件，如果滿足進入步驟7，否則返回步驟3調(diào)整參 數(shù)f和Cs;
[0044] 步驟7:判斷是否滿足頻率限制條件，如果滿足進入步驟8,否則返回步驟3調(diào)整參 數(shù)f和C s;
[0045] 步驟8:給出滿足負載軟切換要求的系統(tǒng)參數(shù)&，C2，L，f和Cs。
[0046]步驟6中負載限制條件為：|RS-RS max| <5,其中Rs max為等效串聯(lián)電阻仏隨負載電阻 R的變化曲線中最佳工作點的等效電阻值，S為預(yù)設(shè)閾值。步驟7中頻率限制條件為:fcasK f，fca_示負載移除后開關(guān)管導(dǎo)通時諧振回路的固有諧振頻率。
[0047]下面具體分析上述方法的設(shè)計原理：
[0048]眾所周知，ECPT系統(tǒng)常用的逆變電路有:全橋型諧振變換器、半橋型諧振變換器、 推挽型諧振變換器及E類變換器四類。較之于其他三類變換器，E類變換器的開關(guān)管數(shù)目最 少，拓撲結(jié)構(gòu)簡單，更適合在1MHz左右的工作頻率下運行，這有利于降低耦合機構(gòu)的補償電 感值，提升ECPT系統(tǒng)的功率傳輸能力，因此，本發(fā)明主要對基于E類變換器的ECPT系統(tǒng)展開 研究。
[0049]圖2所示為E類變換器的基本拓撲結(jié)構(gòu)，其由輸入直流電源V^MOSFET開關(guān)管、L-C-R串聯(lián)諧振回路、旁路電容&及扼流電感L f組成。當開關(guān)管導(dǎo)通時，諧振電路只包含L，C，R，因 為&被開關(guān)管短路?；芈反藭r的諧振頻率的表達式為：
(1)
[0051]當開關(guān)管關(guān)斷時，諧振電路由及R串聯(lián)而成，由于&與(：串聯(lián)，等效電容的表 達式為：
(2)
[0053]此時，回路諧振頻率的表達式為：
(3)
[0055] E類變換器的工作頻率應(yīng)介于這兩個諧振頻率之間，即：
[0056] fol<f<fo2 (4)
[0057] E類變換器達到最佳工作狀態(tài)時需同時滿足ZVS(zero_voltage switching)和ZDS (zero-derivative switching)條件：
[0059] 此時負載電阻R對應(yīng)的值稱為最佳負載，即：R = Rc>pt。當且僅當R = Rc>pt時，E類變換 器達到最佳工作狀態(tài)。當〇 < R < R〇Pt，E類變換器僅能實現(xiàn)ZVS。
[0060] 本實施例中采用的基于E類變換器的ECPT系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
[0061 ]圖3中，ECPT系統(tǒng)的耦合機構(gòu)由4塊極板組成，CS1、CS2表示其等效電容值，與主電路 相連的兩塊極板為發(fā)射極，剩余兩塊極板與負載電阻R-起構(gòu)成了拾取極，因而負載電阻R 移除等效為拾取極移除。該系統(tǒng)的直流輸入經(jīng)過E類變換器和發(fā)射側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)后得到高頻 交流電，在其作用下，耦合機構(gòu)的兩極板之間形成交互電場，在交互電場的作用下產(chǎn)生位移 電流"流過"極板，實現(xiàn)電能的無線傳輸。
[0062] 通過以上陳述可以發(fā)現(xiàn)，選定好上述電路結(jié)構(gòu)后，如果各個元器件的參數(shù)設(shè)計不 合理，系統(tǒng)將難以實現(xiàn)負載軟切換，以參考文獻:蘇玉剛，徐健，謝詩云等.電場耦合型無線 電能傳輸系統(tǒng)調(diào)諧技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013,28(11): 189-194.為例，按照該文獻中提 供的系統(tǒng)參數(shù)進行驗證，得到圖4所示的仿真波形，其中圖4(a)為負載移除開關(guān)管電壓波形 變化情況，圖4(b)為負載移