面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，具体为一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法。


背景技术：

2.近年来，无线电能传输技术因其清洁、高效和环保的优点而备受关注。它已被应用于许多应用，如生物医学植入物、水下设备和手机。与插电式充电器相比，由于用户使用更方便，世界各地的许多实验室和公司已经开展电动汽车无线充电技术研究。
3.目前，锂离子电池因其充电效率高、自放电低、使用寿命长而被广泛用作储能装置。为了防止电池寿命的下降和降低电源的伏安额定值，无线电池充电系统通常不仅要实现恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电，还要具备零相位相角的动态调谐能力。然而，由于电池的负载范围很宽，无线充电装置同时实现这两个目标具有一定的挑战性。
4.通常，无线充电装置实现输出电流/电压调节的方法大致可以分为两类：一次侧控制和二次侧控制。对于一次侧控制，无线通信设备，如zigbee、wi-fi和蓝牙，需要根据负载和耦合系数的变化来调节输出电流/电压。然而，无线通信信号的传输延迟和错误无法避免，导致系统不稳定和动态响应差。因此，无线充电装置首选二次侧控制方法。通常的做法是在接收器侧使用级联dc-dc变换器，由于经过两级功率变换，系统损失、成本和体积都相应增加。为了解决上述方案的问题，可采用可切换或混合补偿拓扑来实现固有的负载无关电流和负载无关电压输出。混合补偿拓扑需要辅助交流开关，这会导致额外的功率损耗和组件成本。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，能够同时实现恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电和zpa动态调谐，由于控制策略基于固定的开关频率和二次侧调节，因此不需要无线反馈通信，从而提高了系统的可靠性。技术方案如下：一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，所述无线供电系统采用双边lcc补偿网络，磁性耦合器具有初级自感、次级自感和发射线圈与接收线圈之间的耦合互感，电能发射端采用全桥逆变器，电能接收端采用半有源整流器，用于实现三段式恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电模式。
6.本发明的主电路采用双边lcc补偿网络，接收端采用半有源桥整流拓扑，用于实现三段式充电特性。
7.在半有源整流器输入端口串联一个开关控制电容器，用于补偿半有源整流桥在调节过程中引入的额外电抗，通过使用基于在线阻抗测量的动态调谐策略结合开关控制电容器实时调节开关控制电容器的等效容值，使无线供电系统处于完全谐振状态。
8.本发明在半有源整流桥输入端口串联一个开关控制电容器电路，并用于补偿半有
源桥在调节过程中引入的额外电抗，使无线充电装置能够保持完全谐振状态。
9.通过采用半有源整流桥输出电压和输出电阻计算出负载阻抗，通过比例-积分控制器对半有源整流桥导通控制信号和相应参考信号之间的差值进行校正，形成开关控制电容器的控制信号，与此同时，通过多项式拟合函数计算出开关控制电容器控制角。
10.本发明开关控制电容器控制角与半有源整流桥导通控制信号通过多项式拟合函数建立联系，只需要一个反馈环路即可生成半有源整流桥导通控制信号进而计算出开关控制电容器控制角，避免了多个环路之间的相互干扰。而且，基于多项式拟合动态调谐方法不需要额外的采样电路和同步信号调理电路，从而提高了系统的可靠性，降低了无线充电系统的控制复杂度。
11.进一步的，所述双边lcc补偿网络的参数设计需满足：（1）其中，为无线供电系统开关角频率；为发射端补偿电感，为发射端并联补偿电容；为次级自感，为接收线圈的串联补偿电容，为接收端并联补偿电容；为初级自感，为发射端串联补偿电容。
12.本发明无线供电系统采用固定的开关频率ω和二次侧调节，不需要无线通信链路，从而提高了系统的可靠性。
13.更进一步的，所述开关控制电容器的等效电容值与开关控制电容器控制角之间通过一阶线性函数拟合，其相应表达式为：（2）其中，和为拟合系数。
14.本发明半有源整流桥负责改变恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电模式，则可通过动态地改变输入阻抗的值，并使用基于在线阻抗测量的动态调谐策略，结合开关控制电容器的等效电容实时调节，使系统处于完全谐振状态。
15.更进一步的，所述计算出负载阻抗具体为：无线供电系统总输入等效电阻为：（3）其中，为反射阻抗。
16.为实现零相角相位，则使总输入等效电阻的虚部为零，此时逆变器的输入阻抗为纯阻性，系统可实现零相角相位工作，其相应理论表达式为：，（4）其中，为接收端补偿电感，为接收端补偿电感支路的等效电抗；半有源整流桥和负载阻抗由等效阻抗表示，且
（5）其中，为半有源整流桥导通控制信号，为半有源整流桥的等效电阻。
17.更进一步的，所述通过多项式拟合函数计算出开关控制电容器控制角具体为：所述开关控制电容器的等效电容通过相应的开关控制电容器控制角进行调制确定：（6）其中，为开关控制电容器中的并联电容，为开关控制电容器中的串联电容。
18.最大输出电流表示为：（7）其中，为负载电池的充电电流；为设计裕量系数，为无线供电系统最大输出电流；推导出满足系统零相角相位条件下等效电抗的函数表达式：（8）其中，为发射线圈与接收线圈之间的耦合互感，为接收线圈的串联补偿电容，为逆变器等效交流输出电压的有效值。
19.在充电过程中，负载阻抗和半有源整流桥导通控制信号沿特定轨迹变化，其相应的变化轨迹表示为：（9）
20.其中，为最大功率，为最大电池电压。
21.根据公式（2）、公式（5）和公式（8），推导出半有源整流桥控制信号与开关控制电容器控制角之间的多项式拟合函数表达式为：（10）其中，为接收端并联补偿电容的容抗，为负载阻抗。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法中主电路采用双边lcc补偿网络，接收端采用半有源桥整流拓扑，用于实现三段式充电特性。在半有源整流桥输入端口串联一个开关控制电容器电路，并用于补偿半有源桥在调节过程中引入的额外电抗，使无线充电装置能够保持完全谐振状态。此外，动态调谐策略是基于在线阻抗计算方式，不需要额外的采样电路和同步信号产生电路，从而提高了系统的可靠性，降低了无线充电系统的控制复杂度。
附图说明
23.图1为本发明实施例的电动汽车无线充电系统主电路。
24.图2为本发明实施例的电动汽车无线充电系统交流等效电路。
25.图3（a）为本发明实施例的开关控制电容典型电路图。
26.图3（b）为本发明实施例的开关控制电容典型工作波形图。
27.图4为本发明实施例的电动汽车无线充电系统控制框图。
28.图5（a）为实施例中电动汽车无线充电系统实验波形图：cc模式（=25ω）的稳态波形。
29.图5（b）为实施例中电动汽车无线充电系统实验波形图：cp模式（=40ω）的稳态波形。
30.图5（c）为实施例中电动汽车无线充电系统实验波形图：cv模式（=82ω）的稳态波形。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
32.本发明针对现有的无线电池充电系统在实际应用难以同时满足恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电并实现零相位相角调谐的功能，提供了一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，其主电路如图1所示。
33.电动汽车无线供电系统具有双边lcc补偿网络，磁性耦合器具有初级自感、次级自感和发射线圈与接收线圈之间的耦合互感。mosfet开关、、和构成发射端逆变器；发射端补偿电感和接收端补偿电感；发射端并联补偿电容、发射端串联补偿电容、接收线圈的串联补偿电容和接收端并联补偿电容；电流，，以及的有效值分别为，，以及；为输出滤波电容；逆变器等效交流输出电压以及半有源整流器等效交流输入电压的有效值分别为和；是开关控制电容器（scc）的等效容值；mosfet开关、以及二极管、构成接收端的半有源整流器。在接收端采用半有源整流器用于实现三段式恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电模式，scc用于补偿半有源整流桥引入的额外电抗，保证无线电池充电系统能够处于完全谐振状态。
34.为使得系统工作在完全谐振状态，双边lcc补偿网络的参数设计需满足：
（1）图2为系统的交流等效电路。根据交流等效电路可计算双边lcc补偿网络的总输入阻抗，使逆变器的总输入阻抗为纯电阻，设计合适的补偿电容即可实现零相角相位；半有源整流桥负责改变恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电模式，这将反过来将动态地改变输入阻抗的值，于是通过使用基于在线阻抗测量的动态调谐策略结合开关控制电容器等效容值实时调节，使系统处于完全谐振状态。
35.开关控制电容器的等效容值与开关控制电容器控制角之间通过一阶线性函数拟合，其相应表达式为：（2）其中，和为拟合系数。
36.无线供电系统总输入等效电阻为：（3）其中，是反射阻抗。
37.为了实现零相角相位（zero phase angle，zpa），应保证总输入等效电阻的虚部为零，此时逆变器的输入阻抗为纯阻性，系统可实现zpa工作，其相应理论表达式为：，（4）其中，为接收端补偿电感，为接收端补偿电感支路的等效电抗。
38.所述充电系统接收器侧半有源整流器包括二极管、和mosfet开关、，其中和分别是和的反并联体二极管，mosfet 和在其反并联二极管的导通时间内开通以保证软开关工作。根据上述分析可以看出，当公式（3）满足时，双边lcc补偿网络能够实现电流型输出和zpa工作。然而，为保证三段式恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）电池充电特性，半有源整流器会引入额外电抗，即等效电抗的值随负载变化。因此，需要实时调节等效电容的值保证公式（4）恒成立，故等效电容采用开关控制电容技术方案。
39.半控整流桥（semi-active rectifier, sar）和负载阻抗可以由等效阻抗表示，其中（5）其中，为半有源整流桥导通控制信号，为半有源整流桥的等效电阻。
40.所述充电系统接收端开关控制电容器包括一个开关管 与一个电容器并
联，使用作为分压电容降低开关管的电压应力，其典型电路及工作波形如图3（a）和图3（b）所示。其中，为开关控制电容器的开关管，为开关控制电容器的驱动信号，为流经电容的交流电流，为电容两端的交流电压，为流经开关管的交流电流。开关控制电容器的等效电容可以通过相应的控制角（0《《π）进行调制确定：（6）其中，为开关控制电容器中的并联电容，为开关控制电容器中的串联电容。
41.为探究等效容值与开关控制电容器控制角之间的变化趋势，可求对的偏导数进行分析，其结果如公式（7）所示。可以看出，总是大于零，因此，等效电容值随着开关控制电容器控制角的增加而逐渐增加。当控制角=0时，等效电容达到最小值；当控制角=π时，等效电容达到最大值。
42.（7）输出电流与输入电压和线圈耦合系数k都相关。输入电压越小或k越小，输出电流越小，最大输出电流可以表示为：（8）其中，为设计裕量系数，通常选择1.05~1.1，为负载电池的充电电流，为无线供电系统最大输出电流。
43.进而可推导出满足系统零相角相位条件下等效电抗的函数表达式：（9）其中，为发射线圈与接收线圈之间的耦合互感，为接收线圈的串联补偿电容，为逆变器等效交流输出电压的有效值。
44.在充电过程中，负载阻抗和半有源整流桥导通控制信号应沿特定轨迹变化，其相应的变化轨迹可表示为：（10）其中，为最大功率，为最大电池电压。
45.根据公式（2）、公式（5）和公式（9），可推导出半有源整流桥导通控制信号与开关控制电容器控制角之间的多项式拟合函数表达式为：
（11）此外，电动汽车无线供电系统采用基于多项式拟合的动态调谐方法，通过采样输出电压和输出电阻计算出负载阻抗，比例-积分控制器对半有源整流桥导通控制信号和相应参考信号之间的差值进行校正，形成scc的半有源整流桥导通控制信号，与此同时，通过多项式拟合函数计算出开关控制电容器控制角，如图4所示。其中，和分别为充电电压和充电电流的采样值，为电流经过霍尔传感器的采样值。经过零比较后产生同步脉冲信号为pwm模块提供同步功能。所述多项式拟合的动态调谐方法具体包括：在电池充电回路中，充电电压和充电电流被采样为和，使用乘法器获得实时充电功率。通过检测采样的（n＝p，v或i）和相应的参考（n＝p，v或i）之间的误差，获得三个pi输出，和，其中一个形成控制sar的半有源整流桥导通控制信号。充电模式的选择标准如下：（12）其中，输出，，以及的最小值。
46.根据公式（9）和公式（10），等效容值的范围可以推导为：（13）进而开关控制电容器中和的电容可以解为：（14）其中，下标 和下标分别代表相应变量的最小值和最大值，a=sin
min
cos
min －
min
,b= sin
max
cos
max
－
max
，为scc控制角，0《《π。
47.为了验证所提的具有动态调谐能力的电动汽车无线充电装置，搭建了一个900w实验样机，系统参数如表1所示。用两个由150mm气隙间距的方形线圈对初级侧和次级侧进行磁耦合。图5(a)～图5(c)分别给出系统在不同工作模式下（）、cp模式（）和cv模式（）的稳态波形。可以看出，初级逆变器的等效交流输出电压和电流
总是同相的，这意味着系统总是能够实现zpa。
48.表1 系统关键电路参数
49.本发明提出了一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，以同时实现恒流（cc）-恒功率（cp）-恒压（cv）充电模式和zpa工作。scc用于补偿半有源整流桥引起的电抗，使接收机侧处于全谐振状态。系统采用固定的开关频率和二次侧调节，不需要无线通信链路，从而提高了系统的可靠性。最后，通过实验样机验证所提方案的可行性。

技术特征：
1.面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，其特征在于，所述无线供电系统采用双边lcc补偿网络，磁性耦合器具有初级自感lp、次级自感ls和发射线圈与接收线圈之间的耦合互感m，电能发射端采用全桥逆变器，电能接收端采用半有源整流器，用于实现三段式恒流-恒功率-恒压充电模式；在半有源整流器输入端口串联一个开关控制电容器，用于补偿半有源整流桥在调节过程中引入的额外电抗，通过使用基于在线阻抗测量的动态调谐策略结合开关控制电容器实时调节开关控制电容器的等效容值，使无线供电系统处于完全谐振状态；通过采样半有源整流桥输出电压和输出电阻计算出负载阻抗，通过比例-积分控制器对半有源整流桥导通控制信号和相应参考信号之间的差值进行校正，形成开关控制电容器的控制信号，与此同时，通过多项式拟合函数计算出开关控制电容器控制角。2.根据权利要求1所述的面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，其特征在于，所述双边lcc补偿网络的参数设计需满足： （1）其中，为无线供电系统开关角频率；为发射端补偿电感，为发射端并联补偿电容；为次级自感，为接收线圈的串联补偿电容，为接收端并联补偿电容；为初级自感，为发射端串联补偿电容。3.根据权利要求2所述的面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，其特征在于，所述开关控制电容器的等效容值c
t
与开关控制电容器控制角之间通过一阶线性函数拟合，其相应表达式为：（2）其中，和为拟合系数。4.根据权利要求3所述的面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，其特征在于，所述计算出负载阻抗具体为：无线供电系统总输入等效电阻为：（3）其中，为反射阻抗；表示虚数；为实现零相角相位，则使总输入等效电阻的虚部为零，此时逆变器的输入阻抗为纯阻性，系统可实现零相角相位工作，其相应理论表达式为：，（4）其中，为接收端补偿电感，为接收端补偿电感支路的等效电抗；半有源整流桥和负载阻抗由等效阻抗表示，且
（5）其中，为半有源整流桥导通控制信号，为半有源整流桥的等效电阻。5.根据权利要求4所述的面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，其特征在于，所述通过多项式拟合函数计算出开关控制电容器控制角具体为：开关控制电容器的等效容值通过相应的开关控制电容器控制角进行调制确定：（6）其中，为开关控制电容器控制角，为开关控制电容器中的并联电容，为开关控制电容器中的串联电容；最大输出电流表示为：（7）其中，为负载电池的充电电流，为设计裕量系数，为无线供电系统最大输出电流；推导出满足系统零相角相位条件下等效电抗的函数表达式：（8）其中，为发射线圈与接收线圈之间的耦合互感，为接收线圈的串联补偿电容，为逆变器等效交流输出电压的有效值；在充电过程中，负载阻抗和半有源整流桥导通控制信号沿特定轨迹变化，其相应的变化轨迹表示为：（9）其中，为最大功率，为最大电池电压；根据公式（2）、公式（5）和公式（8），推导出半有源整流桥导通控制信号与开关控制电容器控制角之间的多项式拟合函数表达式为：（10）
其中，为接收端并联补偿电容的容抗，为负载阻抗。

技术总结
本发明涉及无线电能传输技术领域，公开了一种面向电动汽车无线供电系统的多项式拟合动态调谐方法，采用副边有源整流桥实现三段式恒流-恒功率-恒压充电，同时在有源整流桥输入端口串联一个开关电容电路，开关电容实时补偿由于有源整流桥产生的额外电抗，保证系统零相位角的动态调谐。开关电容控制角与半有源整流桥导通控制信号通过多项式拟合函数建立联系，只需要一个反馈环路即可生成进而计算出，避免了多个环路之间的相互干扰。此外，基于多项式拟合动态调谐方法不需要额外的采样电路和同步信号调理电路，从而提高了系统的可靠性，降低了无线充电系统的控制复杂度。降低了无线充电系统的控制复杂度。降低了无线充电系统的控制复杂度。


技术研发人员：王孝强 张欣 黎宁昊 付鹏宇 马皓
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/14