【技术实现步骤摘要】
宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法及系统
本专利技术涉及无线充电系统调控领域，特别是涉及宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法及系统。
技术介绍
无线充电(WirelessPowerTransfer，WPT)技术由于其方便、安全等优点近年来受到越来越多的关注，广泛应用于生物医用植入体、消费类电子产品、水下负载、电动汽车等。在WPT系统中，功率输出范围需要足够宽，以适应不同的工作条件。在功率调节过程中，零电压开关(ZeroVoltageSwitching，ZVS)操作是提高系统效率和减少电磁干扰所必需的。因此，需要在宽功率范围内进行ZVS操作。在WPT系统中，针对全桥逆变器的控制策略主要有调频和移相两种方式。调频控制是指根据输出功率调节全桥逆变器的开关频率；移相控制是指逆变器的开关频率固定，通过控制逆变器超前臂和滞后臂之间的相位来调节输出电压或功率。可调频率的范围有限，导致调频控制调节的输出电压或功率范围有限，不能满足宽范围功率输出。而WPT系统采用移相控制时，无法实现输出功率变化较大的ZVS运行，导致逆变器开关损耗增加，降低系统效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法及系统，在WPT系统宽功率范围输出的同时实现逆变器软开关操作。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，包括：根据无线充电系统的拓扑结构，基于线性状态方程确定满足ZVS的逆变器的移相角边界和开关频率边界；所述无...
【技术保护点】
1.一种宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，其特征在于，包括：/n根据无线充电系统的拓扑结构，基于线性状态方程确定满足ZVS的逆变器的移相角边界和开关频率边界；所述无线充电系统为LCC-LCC补偿拓扑结构；/n将开关频率固定在所述无线充电系统的谐振频率，采用移相方式确定实现ZVS的移相范围和对应的第一电压输出范围；/n基于所述无线充电系统的谐振频率，确定调频方法的频率变化范围；/n基于所述无线充电系统不同期望输出电压下满足ZVS对应的开关频率和移相角，确定最优开关频率；/n基于所述实现ZVS的移相范围，确定在所述最优开关频率时，实现ZVS的第二电压输出范围；/n根据所述无线充电系统的参考电压与所述第一电压输出范围和所述第二电压输出范围的关系，采用不同的调控方法对所述无线充电系统进行调控；所述调控方法包括：第一调控方法、第二调控方法和第三调控方法；所述第一调控方法为：将开关频率固定在所述无线充电系统的谐振频率，通过移相方法对所述无线充电系统进行调控；所述第二调控方法为：将相角固定在实现ZVS的移相范围中的最大相角，通过调频方法对所述无线充电系统进行调控；所述第三调控方法为：将开...
【技术特征摘要】
1.一种宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，其特征在于，包括：
根据无线充电系统的拓扑结构，基于线性状态方程确定满足ZVS的逆变器的移相角边界和开关频率边界；所述无线充电系统为LCC-LCC补偿拓扑结构；
将开关频率固定在所述无线充电系统的谐振频率，采用移相方式确定实现ZVS的移相范围和对应的第一电压输出范围；
基于所述无线充电系统的谐振频率，确定调频方法的频率变化范围；
基于所述无线充电系统不同期望输出电压下满足ZVS对应的开关频率和移相角，确定最优开关频率；
基于所述实现ZVS的移相范围，确定在所述最优开关频率时，实现ZVS的第二电压输出范围；
根据所述无线充电系统的参考电压与所述第一电压输出范围和所述第二电压输出范围的关系，采用不同的调控方法对所述无线充电系统进行调控；所述调控方法包括：第一调控方法、第二调控方法和第三调控方法；所述第一调控方法为：将开关频率固定在所述无线充电系统的谐振频率，通过移相方法对所述无线充电系统进行调控；所述第二调控方法为：将相角固定在实现ZVS的移相范围中的最大相角，通过调频方法对所述无线充电系统进行调控；所述第三调控方法为：将开关频率固定在所述最优开关频率，通过移相方法对所述无线充电系统进行调控。
2.根据权利要求1所述的宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，其特征在于，所述根据无线充电系统的拓扑结构，基于线性状态方程确定满足ZVS的逆变器的移相角边界和开关频率边界，具体包括：
构建线性状态方程；所述线性状态方程为其中，为状态量x(t)的导数；x(t)＝[iLf1(t)uCf1(t)i1(t)uC1(t)]T，iLf1(t)为通过一次侧谐振补偿网络电感的电流，uCf1(t)为一次侧谐振补偿网络并联电容两端的电压，i1(t)为通过发射线圈自感的电流，uC1(t)为一次侧谐振补偿网络串联电容两端的电压；A为系统矩阵，Cf1为一次侧谐振补偿网络的并联电容，Lf1为一次侧谐振补偿网络的电感，L1为发射线圈的自感，Lreq为等效电感，C1为一次侧谐振补偿网络的串联电容，Re(Zref)表示对二次侧映射到一次侧的阻抗Zref取实部，Re(Zref)与开关频率相关；B为控制矩阵，u(Δ)为一次侧逆变器的输出电压，u(Δ0)＝Udc，u(Δ1)＝0，u(Δ2)＝-Udc，u(Δ3)＝0，Udc为一次侧直流输入电压，Δ0表示t0～t1时间段，Δ1表示t1～t2时间段，Δ2表示t2～t3时间段，Δ3表示t3～t4时间段，Δ0、Δ1、Δ2和Δ3与移相角相关；
根据稳态时逆变器输出电压和输出电流波形的对称性，采用数值方法利用公式对所述线性状态方程求解，得到每个开关时刻的状态量；所述开关时刻包括t0时刻、t1时刻、t2时刻和t3时刻；x(t0)为t0时刻的状态量，x(t1)为t1时刻的状态量，x(t2)为t2时刻的状态量，x(t3)为t3时刻的状态量；
根据满足ZVS的条件，确定逆变器的移相角边界和开关频率边界；所述满足ZVS的条件为：即iLf1_min＝min{-iLf1(t0),iLf1(t1),iLf1(t2),-iLf1(t3)}＞0；其中，iLf1_min为一次侧谐振补偿网络电感的电流绝对值的最小值，iLf1(t0)为t0时刻通过一次侧谐振补偿网络电感的电流，iLf1(t1)为t1时刻通过一次侧谐振补偿网络电感的电流，iLf1(t2)为t2时刻通过一次侧谐振补偿网络电感的电流，iLf1(t3)为t3时刻通过一次侧谐振补偿网络电感的电流。
3.根据权利要求1所述的宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，其特征在于，所述基于所述无线充电系统的谐振频率，确定调频方法的频率变化范围，具体包括：
基于所述无线充电系统的谐振频率，在谐振频率范围内，绘制系统输出电压随开关频率变化的曲线；
将所述曲线中单调变化的曲线段对应的开关频率段，确定为调频方法的频率变化范围。
4.根据权利要求2所述的宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，其特征在于，所述基于所述无线充电系统不同期望输出电压下满足ZVS对应的开关频率和移相角，确定最优开关频率，具体包括：
对于所述无线充电系统的每个期望输出电压，在所述调频方法的频率变化范围内，采用基尔霍夫电压定律计算满足所述期望输出电压的每个频率对应的移相角；
确定每个期望输出电压对应的一次侧谐振补偿网络电感的电流绝对值的最小值随频率变化的曲线；
根据所有期望输出电压对应的曲线确定最优开关频率；在所有频率中，所述最优开关频率处，大于0的一次侧谐振补偿网络电感的电流绝对值的最小值的个数最多。
5.根据权利要求1所述的宽功率范围内实现ZVS的无线充电系统调控方法，其特征在于，所述根据所述无线充电系统的参考电压与所述第一电压输出范围和所述第二电压输出范围的关系，采用不同的调控方法对所述无线充电系统进行调控，具体包括：
当所述无线充电系统的参考电压处于[Up,Umax]范围内时，采用第一调控方法对所述无线充电系统进行调控；
当所述无线充电系统的参考电压处于[UH,UP]范围内时，采用第二调控方法对所述无线充电系统进行调控；
当所述无线充电系统的参考电压处于[UL,UH]范围内时，采用第三调控方法对所述无线充电系统进行调控；
当所述无线充电系统的参考电压处于(0,UL)或(Umax,∞)范围内时，采用第一调控方法对所述无线充电系统进行调控；
其中，所述第一电压输出范围为[Up,Umax]，所述第二电压输出范围为[UL,UH]。
6.一种宽功率范围内实现ZVS的无线充电系...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓钧君，王震坡，伏娜，王硕，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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