一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器及其控制方法技术方案

本发明专利技术属于电能传输领域，公开了一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC‑DC变换器及其控制方法，包括LCL‑S补偿拓扑、不控整流桥和双管Buck‑Boost电路；LCL‑S补偿拓扑的输出与不控整流桥的输入连接，不控整流桥的输出与双管Buck‑Boost电路的输入连接。本发明专利技术通过调节全桥逆变电路超前与滞后桥臂之间的移相角来实现对感应电能传输恒压控制，通过采用交错占空比偏置调制策略来控制DSBB开关管来实现阻抗匹配，保持整流桥输出侧等效负载始终处于最大效率负载点；本发明专利技术的双管结构能有效减小开关管的电压电流应力，使系统输出具有更宽的电压范围和更高的功率等级；升降压模式的调节能够使系统在实现最大效率跟踪时负载的可调范围更广，极大提高了系统的适用性。

A maximum efficiency tracking DC-DC converter and its control method for induction power transmission system

The invention belongs to the field of electric energy transmission, and discloses a maximum efficiency tracking DC \u2011 DC converter applied to the induction electric energy transmission system and its control method, including LCL \u2011 s compensation topology, uncontrolled rectifier bridge and double tube buck \u2011 boost circuit; the output of LCL \u2011 s compensation topology is connected with the input of uncontrolled rectifier bridge, and the output of uncontrolled rectifier bridge is connected with the input of double tube buck \u2011 boost circuit. The invention realizes the constant voltage control of the induction electric energy transmission by adjusting the phase-shift angle between the lead and lag bridge arms of the full bridge inverter circuit, realizes the impedance matching by controlling the DsbB switch tube by adopting the staggered duty cycle offset modulation strategy, and keeps the equivalent load at the output side of the rectifier bridge at the maximum efficiency load point at all times; the double tube structure of the invention can effectively reduce the voltage and current of the switch tube Stress makes the output of the system have a wider voltage range and higher power level; the regulation of the voltage rise and fall mode can make the load adjustable range wider when the system realizes the maximum efficiency tracking, which greatly improves the applicability of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器及其控制方法
本专利技术属于电能传输领域，尤其涉及一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器及其控制方法。
技术介绍
传统的电能传输方式如插座等具有热插拔特点，容易产生电火花等安全隐患，无法实现电气隔离，维护成本较大，难以满足电动汽车、矿井供电及水下充电等应用场景的需求，因此实现高效的感应电能传输十分必要。如何提高电能传输过程中的效率，降低传输损耗，节省使用成本显得尤为重要。根据能量传输过程中中继能量形式的不同，无线电能传输可分为：磁场耦合式、电场耦合式、电磁辐射式如太阳辐射、机械波耦合式超声。其中，磁耦合式是目前21世纪初研究最为火热的一种无线电能传输方式，也就是将高频电源加载到发射线圈，使发射线圈在电源激励下产生高频磁场，接收线圈在此高频磁场作用下，耦合产生电流，实现无线电能传输。感应式无线电能传输技术ICPT是一种利用磁场耦合原理，将电能以非导线连接的方式从电源端传输到负载端的技术。它提高了用电设备的灵活性，是一种安全、可靠、灵活的供电方式。实现电能无线传输的主要挑战在于其较低的传输效率和功率传输能力，造成这种结果的主要原因是由于其相较于传统变压器，发射绕组和接收绕组之间存在较大气隙，耦合系数较低且存在较大漏感，系统整体的功率因数很低，所以必须加入谐振补偿电路，使系统工作在单位功率因数，提高电路整体的效率。感应电能传输系统主要由直流电源、松耦合变压器及电力电子变换器组成。整个系统能够实现安全可靠的无接触式电能传输。在实际的工作环境下，负载状态通常并不是恒定的，很难保证传输过程始终处于最大效率的工作点附近。现阶段保持IPT系统动态运行过程最大效率传输的方法大致分为两类，一类是频率跟踪控制，另一类是阻抗匹配，包括无源阻抗匹配和有源阻抗匹配。无源阻抗匹配是利用电感电容阻抗调节网络来实现某固定负载点的等效，无法实现动态跟踪。有源阻抗匹配即在定频工作时，利用Buck变换器来实现等效负载的调节，以保证系统运行在最大效率工作点处，但由于自身结构限制，负载侧的等效阻抗可调范围十分有限，当负载大幅变化时并不适用。因此，提高变压器耦合系数及设计合理的补偿网络是感应式无线电能传输系统的主要研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于公开适用性广、可调范围大的一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器及其控制技术。本专利技术的目的是这样实现的：一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，包括LCL-S补偿拓扑、不控整流桥和双管Buck-Boost电路；LCL-S补偿拓扑的输出与不控整流桥的输入连接，不控整流桥的输出与双管Buck-Boost电路的输入连接。进一步地，LCL-S补偿拓扑，包括直流电源E，全桥逆变电路，电感L1，耦合器自感Lp，耦合器自感Ls，电容C1和电容Cs；全桥逆变电路由开关管Q1，开关管Q2，开关管Q3和开关管Q4组成；直流电源E与全桥逆变电路的输入连接；电容C1与耦合器自感Lp并联后再与电感L1串联；电容C1、耦合器自感Lp、电感L1的混联与全桥逆变电路的输出连接；耦合器自感Ls与电容Cs并联；开关管Q1和开关管Q2，开关管Q3，开关管Q4均为180°互补导通，开关管Q1，开关管Q2，开关管Q3和开关管Q4的占空比固定为0.5。进一步地，不控整流桥由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成；耦合器自感Ls与电容Cs的并联与不控整流桥的输入连接。进一步地，双管Buck-Boost电路包括滤波电容Cf、开关管S1、开关管S2、二极管VD1、二极管VD2、电流传感器CSA、电流传感器CSB、电压传感器VS、电感L、电容C和负载RL；滤波电容Cf与不控整流桥的输出连接；开关管S1与二极管VD1串联，开关管S1与二极管VD1的串联和滤波电容Cf并联；三者并联二极管VD2与开关管S2串联；二极管VD2与开关管S2的串联、电容C、负载RL三者并联；开关管S2的远离二极管VD2的一端与二极管VD1的远离开关管S1的一端连接；电感L的一端连接于开关管S1与二极管VD1之间，电感L的另一端连接于二极管VD2与开关管S2之间；电流传感器CSA连接于电感L所在的线路上，电流传感器CSB连接于负载RL所在的支路上，电压传感器VS连接于负载RL上。一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器的控制方法，包含如下步骤：步骤(1)：初始化系统，将程序中的输出电压控制器、电感电流控制器、开关管S1和开关管S2的占空比发生器输出均设置为0；步骤(2)：采集电压传感器VS得到输出直流电压值uo，将输出直流电压值uo与设置的电压值u*o进行比较，将输出直流电压值uo与设置的电压值u*o的偏差信号Δuo输入至控制器Gv并作为电感电流的给定量i*L；采集电流传感器CSA得到电感电流值iL，将电感电流值iL与控制器Gv输出的给定量i*L进行比较，将电感电流值iL与控制器Gv输出的给定量i*L的偏差信号ΔiL输入至控制器Gi并对控制器的输出进行限幅，将限幅后的输出经过运算后作为全桥逆变电路的移相角控制信号步骤(3)：采集电流传感器CSB得到输出直流电流值io，根据输出直流电压值uo和输出直流电流值io，利用欧姆定律计算感应电能传输系统实时的负载值RL；步骤(4)：将感应电能传输系统实时的负载值RL输入至占空比发生器，得到DC-DC变换器的占空比控制信号d，并对d进行偏置处理得到开关管S1的控制信号d1以及开关管S2的控制信号d2；步骤(5)：将d1、d2分别作为调制信号用于PWM调制，采用幅值为VM的三角波作为载波信号，产生占空比为d1、d2的两路脉冲序列，分别用于驱动DC-DC变换器开关管S1与开关管S2；步骤(6)：将固定占空比0.5作为调制信号，同样采用幅值为VM的三角波作为载波，将开关管Q3、开关管Q4组成的桥臂LegB的载波信号滞后开关管Q1、开关管Q2组成的桥臂LegA角度产生两路占空比为0.5，相位差为的脉冲序列，将该脉冲序列用于分别驱动全桥逆变电路桥臂LegA的上开关管Q1和桥臂LegB的上开关管Q3，桥臂LegB和桥臂LegA下开关管Q2与开关管Q4分别与对应桥臂上的开关管互补导通，占空比也为0.5；步骤(7)：判断是否接收到停机指令，若没有接收到停机指令，返回执行步骤(2)；若接收到停机指令，则退出运行状态。本专利技术的有益效果为：本专利技术通过调节全桥逆变电路超前与滞后桥臂之间的移相角来实现对感应电能传输恒压控制，通过采用交错占空比偏置调制策略来控制DSBB开关管来实现阻抗匹配，保持整流桥输出侧等效负载始终处于最大效率负载点；本专利技术的双管结构能有效减小开关管的电压电流应力，使系统输出具有更宽的电压范围和更高的功率等级；升降压模式的调节能够使系统在实现最大效率跟踪时负载的可调范围更广，极大提高了系统的适用性。在感应电能传输系统中，直流电源作为全桥逆变电路的输入，逆变全桥通过LCL-S补偿结构与中间的功率拾取机构即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，其特征在于：包括LCL-S补偿拓扑、不控整流桥和双管Buck-Boost电路；LCL-S补偿拓扑的输出与不控整流桥的输入连接，不控整流桥的输出与双管Buck-Boost电路的输入连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，其特征在于：包括LCL-S补偿拓扑、不控整流桥和双管Buck-Boost电路；LCL-S补偿拓扑的输出与不控整流桥的输入连接，不控整流桥的输出与双管Buck-Boost电路的输入连接。


2.根据权利要求1所述的一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，其特征在于：所述的LCL-S补偿拓扑，包括直流电源E，全桥逆变电路，电感L1，耦合器自感Lp，耦合器自感Ls，电容C1和电容Cs；全桥逆变电路由开关管Q1，开关管Q2，开关管Q3和开关管Q4组成；直流电源E与全桥逆变电路的输入连接；电容C1与耦合器自感Lp并联后再与电感L1串联；电容C1、耦合器自感Lp、电感L1的混联与全桥逆变电路的输出连接；耦合器自感Ls与电容Cs并联；开关管Q1和开关管Q2，开关管Q3，开关管Q4均为180°互补导通，开关管Q1，开关管Q2，开关管Q3和开关管Q4的占空比固定为0.5。


3.根据权利要求1或2所述的一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，其特征在于：所述的不控整流桥由二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4组成；耦合器自感Ls与电容Cs的并联与不控整流桥的输入连接。


4.根据权利要求1或2所述的一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，其特征在于：所述的双管Buck-Boost电路包括滤波电容Cf、开关管S1、开关管S2、二极管VD1、二极管VD2、电流传感器CSA、电流传感器CSB、电压传感器VS、电感L、电容C和负载RL；滤波电容Cf与不控整流桥的输出连接；开关管S1与二极管VD1串联，开关管S1与二极管VD1的串联和滤波电容Cf并联；三者并联二极管VD2与开关管S2串联；二极管VD2与开关管S2的串联、电容C、负载RL三者并联；开关管S2的远离二极管VD2的一端与二极管VD1的远离开关管S1的一端连接；电感L的一端连接于开关管S1与二极管VD1之间，电感L的另一端连接于二极管VD2与开关管S2之间；电流传感器CSA连接于电感L所在的线路上，电流传感器CSB连接于负载RL所在的支路上，电压传感器VS连接于负载RL上。


5.根据权利要求3所述的一种应用于感应电能传输系统最大效率跟踪DC-DC变换器，其特征在于：所述的双管Buck-Boost电路包括滤波电容Cf、开关管S1、开关管S2、二极管VD1、二极管VD2、电流传感器CSA、电流传感器CSB、电压传感器VS、电感L、电容C和负载RL；滤波电容Cf与不控整流桥的输出连接；开关管S1与...

【专利技术属性】
技术研发人员：游江，程连斌，张镠钟，彭辉，李晓旭，周玮，王西贝，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23