耦合电容变化下的稳压ECPT系统及混杂控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种耦合电容变化下的ECPT系统的混杂控制方法，根据参考电压与接收端输出电压之间的电压偏差确定Buck开关管S的导通时间，从而确定当前各工作模态之间的边界切换条件，并基于该边界切换条件以及当前对Buck电感L的电流状态进行检测得到的检测结果，以及对谐振补偿电路的输入电流状态进行检测得到的检测结果对各个开关管的工作状态进行控制，将控制问题简化为边界计算和选择问题，使得该ECPT系统在耦合机构参数扰动下也能输出恒定的电压。

Voltage-stabilized ECPT system and hybrid control method with variable coupling capacitance

【技术实现步骤摘要】
耦合电容变化下的稳压ECPT系统及混杂控制方法
本专利技术涉及无线电能传输
，更具体地说，涉及一种耦合电容变化下的稳压ECPT系统及混杂控制方法。
技术介绍
WPT(WirelessPowerTransfer,无线电能传输)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无电气接触传输，现已成为国内外科研机构研究与开发的热点。其中，基于电场耦合的电能传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，成本低且形状易变等优点；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。在某些领域的应用可与基于磁场耦合的无线电能传输技术形成优势互补，因此越来越多的专家学者围绕电场耦合无线电能传输(Electric-FieldCoupledPowerTransfer,ECPT)技术展开研究。在使用ECPT技术为移动设备无线充/供电的应用中，例如消费电子设备(手机、平板电脑等)、移动机器人、厨房电器及电动汽车等，系统的电能接收端(包括：接收端耦合极板、功率调节电路以及用电设备的等效负载电阻等)经常会从无线供电系统中移除或重新移入。电能接收端的移入移除使传输距离和极板相对位置发生改变，很难保证电能接收端移除前耦合机构的等效电容值与下一次电能接收端重新移入后的耦合机构等效电容值完全相同。例如：电动汽车每次停在充电区域上方时，耦合极板的间距和横向偏移程度都不尽相同，即耦合机构等效电容CS的值不相同。耦合机构等效电容CS的改变会使ECPT系统的输出电压降低，进而影响系统的传输性能，因此有必要提出一种控制方法保证ECPT系统在耦合极板发生一定偏移以及传输距离发生改变(即CS在一定范围内变化)时的输出电压恒定。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种耦合电容变化下的ECPT系统的混杂控制方法。为实现上述目的，本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种耦合电容变化下的稳压ECPT系统，包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括直流电源、Buck变换器、全桥逆变器、谐振补偿电路以及两块发射极板，所述接收端电路包括两块接收极板和负载电路，所述两块发射极板与所述两块接收极板一一对应构成电场耦合机构实现发射端电路和接收端电路之间的无线电能传输；所述Buck变换器包括开关管S、二极管D以及连接在所述二极管D两端的Buck电感L和Buck电容C；所述全桥逆变器包括依次连接的开关管S1、开关管S2、开关管S4以及开关管S3，其中开关管S1和开关管S3位于同一桥臂上，开关管S2和开关管S4位于同一桥臂上，所述Buck变换器中的开关管S与所述全桥逆变器中的开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4均由控制器控制，在所述控制器的输入端连接有第一电流检测模块和第二电流检测模块，所述第一电流检测模块用于检测Buck电感L的电流状态，所述第二电流检测模块用于检测所述谐振补偿电路的输入电流状态，所述负载电路中还设置有电压检测模块，该电压检测模块将检测所得的接收端输出电压信息通过无线通信传输至所述控制器，所述控制器采用混杂控制方式，在混杂建模时所述系统设置有多个工作模态，所述控制器根据参考电压与所述电压检测模块反馈的电压之间的电压偏差确定开关管S的导通时间，从而确定当前各工作模态之间的边界切换条件，并基于该边界切换条件以及所述第一电流检测模块和第二电流检测模块所检测的信息控制各个开关管工作完成工作模态的切换，实现系统输出电压的稳压控制。可选的，所述控制器在所述电压偏差的基础上利用PI控制原理确定开关管S的导通时间。可选的，所述谐振补偿电路由谐振电感L1、谐振电容C1、谐振电感L2、谐振电容C2以及谐振电感L3构成，其中，所述全桥逆变器的一个输出端依次串接谐振电感L1、谐振电容C1和谐振电感L2后与所述全桥逆变器的另一个输出端连接，相串联的谐振电容C2和谐振电感L3并联在谐振电感L2的两端，谐振电感L3的两端一一对应连接所述两块发射极板。可选的，所述负载电路包括桥式整流电路、滤波电容以及负载电阻。可选的，在混杂建模时设置有如下四个模态：模态q1：开关管S导通，二极管D截止，开关管S1和S4导通，开关管S2和S3关断；模态q2：开关管S关断，二极管D导通，开关管S1和S4导通，开关管S2和S3关断；模态q3：开关管S导通，二极管D截止，开关管S1和S4关断，开关管S2和S3导通；模态q4：开关管S关断，二极管D导通，开关管S1和S4关断，开关管S2和S3导通。可选的，所述控制器基于边界转换条件控制各个开关管工作，模态q1转换至模态q2以及模态q3转换至模态q4的边界转换条件为：且模态q2转换至模态q1以及模态q4转换至模态q3的边界转换条件为：且模态q1转换至模态q3以及模态q2转换至模态q4的边界转换条件为：且模态q3转换至模态q1以及模态q4转换至模态q2的边界转换条件为：且模态q1转换至模态q4的边界转换条件为：模态q4转换至模态q1的边界转换条件为：模态q2转换至模态q3的边界转换条件为：模态q3转换至模态q2的边界转换条件为：其中，iL为所述Buck电感L上流过的电流，为所述谐振补偿电路的输入电流，为所述Buck电感L的电流变化率，为所述谐振补偿电路的输入电流的变化率，ΔiL为CCM模式下所述Buck电感L的纹波电流，io为所述Buck电感L的平均电流。本专利技术还提供一种基于上述任意一种耦合电容变化下的ECPT系统的混杂控制方法，包括：所述第一电流检测模块对所述Buck电感L的电流状态进行检测得到第一检测结果；所述第二电流检测模块对所述谐振补偿电路的输入电流状态进行检测得到第二检测结果；所述电压检测模块对所述接收端电路的输出电压进行检测得到接收端输出电压；所述控制器根据参考电压与所述接收端输出电压之间的电压偏差确定开关管S的导通时间，从而确定当前各工作模态之间的边界切换条件，并基于该边界切换条件以及所述第一检测结果和所述第二检测结果控制各个开关管工作完成工作模态的切换，实现系统输出电压的稳压控制。本专利技术提供的耦合电容变化下的稳压ECPT系统及混杂控制方法，根据参考电压与接收端输出电压之间的电压偏差确定开关管S的导通时间，从而确定当前各工作模态之间的边界切换条件，并基于该边界切换条件以及当前对Buck电感L的电流状态进行检测得到的检测结果，以及对谐振补偿电路的输入电流状态进行检测得到的检测结果对各个开关管的工作状态进行控制，将控制问题简化为边界计算和选择问题，保证该ECPT系统耦合电容在一定范围变化下的输出电压恒定。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例提供的稳压ECPT系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的ECPT系统的等效电路示意图；图3为本专利技术实施例提供的ECPT系统的混杂控制方法的流程示意图；图4-1为本专利技术实施例提供的ECPT系统在模态q1的等效电路示意图；图4-2为本专利技术实施例提供的ECPT系统在模态q2的等效电路示意图；图4-3为本专利技术实施例提供的ECPT系统在模态q3的等效电路示意图；图4-4为本专利技术实施例提供的ECPT系统在模态q4的等效电路示意图；图5为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耦合电容变化下的稳压ECPT系统，其特征在于：包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括直流电源、Buck变换器、全桥逆变器、谐振补偿电路以及两块发射极板，所述接收端电路包括两块接收极板和负载电路，所述两块发射极板与所述两块接收极板一一对应构成电场耦合机构实现发射端电路和接收端电路之间的无线电能传输；所述Buck变换器包括开关管S、二极管D以及连接在所述二极管D两端的Buck电感L和Buck电容C；所述全桥逆变器包括依次连接的开关管S1、开关管S2、开关管S4以及开关管S3，其中开关管S1和开关管S3位于同一桥臂上，开关管S2和开关管S4位于同一桥臂上，所述Buck变换器中的开关管S与所述全桥逆变器中的开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4均由控制器控制，在所述控制器的输入端连接有第一电流检测模块和第二电流检测模块，所述第一电流检测模块用于检测Buck电感L的电流状态，所述第二电流检测模块用于检测所述谐振补偿电路的输入电流状态，所述负载电路中还设置有电压检测模块，该电压检测模块将检测所得的接收端输出电压信息通过无线通信传输至所述控制器，所述控制器采用混杂控制方式，在混杂建模时所述系统设置有多个工作模态，所述控制器根据参考电压与所述电压检测模块反馈的电压之间的电压偏差确定开关管S的导通时间，从而确定当前各工作模态之间的边界切换条件，并基于该边界切换条件以及所述第一电流检测模块和第二电流检测模块所检测的信息控制各个开关管工作完成工作模态的切换，实现系统输出电压的稳压控制。...

【技术特征摘要】
1.一种耦合电容变化下的稳压ECPT系统，其特征在于：包括发射端电路和接收端电路，所述发射端电路包括直流电源、Buck变换器、全桥逆变器、谐振补偿电路以及两块发射极板，所述接收端电路包括两块接收极板和负载电路，所述两块发射极板与所述两块接收极板一一对应构成电场耦合机构实现发射端电路和接收端电路之间的无线电能传输；所述Buck变换器包括开关管S、二极管D以及连接在所述二极管D两端的Buck电感L和Buck电容C；所述全桥逆变器包括依次连接的开关管S1、开关管S2、开关管S4以及开关管S3，其中开关管S1和开关管S3位于同一桥臂上，开关管S2和开关管S4位于同一桥臂上，所述Buck变换器中的开关管S与所述全桥逆变器中的开关管S1、开关管S2、开关管S3以及开关管S4均由控制器控制，在所述控制器的输入端连接有第一电流检测模块和第二电流检测模块，所述第一电流检测模块用于检测Buck电感L的电流状态，所述第二电流检测模块用于检测所述谐振补偿电路的输入电流状态，所述负载电路中还设置有电压检测模块，该电压检测模块将检测所得的接收端输出电压信息通过无线通信传输至所述控制器，所述控制器采用混杂控制方式，在混杂建模时所述系统设置有多个工作模态，所述控制器根据参考电压与所述电压检测模块反馈的电压之间的电压偏差确定开关管S的导通时间，从而确定当前各工作模态之间的边界切换条件，并基于该边界切换条件以及所述第一电流检测模块和第二电流检测模块所检测的信息控制各个开关管工作完成工作模态的切换，实现系统输出电压的稳压控制。2.根据权利要求1所述的耦合电容变化下的稳压ECPT系统，其特征在于：所述控制器在所述电压偏差的基础上利用PI控制原理确定开关管S的导通时间。3.根据权利要求1所述的耦合电容变化下的稳压ECPT系统，其特征在于：所述谐振补偿电路由谐振电感L1、谐振电容C1、谐振电感L2、谐振电容C2以及谐振电感L3构成，其中，所述全桥逆变器的一个输出端依次串接谐振电感L1、谐振电容C1和谐振电感L2后与所述全桥逆变器的另一个输出端连接，相串联的谐振电容C2和谐振电感L3并联在谐振电感L2的两端，谐振电感L3的两端一一对应连接所述两块发射极板。4.根据权利要求1所述的耦合电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，赵鱼名，唐春森，王智慧，戴欣，孙跃，叶兆虹，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50