一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法，属于无线充电技术领域。避免了现有技术中，当WPT系统采用全桥移相控制技术实现宽负载范围、宽耦合系数恒流/恒压供电时，逆变器损耗大、系统效率低等问题。本发明专利技术包括如下步骤：a.建立基于可变电感的双半桥逆变器WPT系统基波等效模型；b.计算恒流/恒压输出条件下可变电感的操作范围；c.建立可变电感磁路等效模型，根据可变电感操作范围设计可变电感；d.设计系统的恒流/恒压输出闭环控制策略。该方法有效地降低了逆变器的导通损耗、开关损耗和环流损耗，使系统始终工作在高效率状态下，控制简单，可实现系统工作状态的连续快速调节，具有良好的动态性能。具有良好的动态性能。具有良好的动态性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法


[0001]本专利技术涉及无线充电
，具体涉及一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法，该方法控制简单，同时有效地降低了逆变器损耗，使系统始终工作在高效率状态下。

技术介绍

[0002]无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场、磁场、微波、电磁波等)，将电能由电源侧传递到负载侧。其中，感应式WPT技术作为一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统插拔系统存在的接触火花，漏电等安全问题，并使人类应用电能的方式更加灵活。目前，该技术已被广泛应用于人体植入医疗设备，感应式加热器，电动车以及手机等移动设备的无线充电平台。
[0003]感应式WPT系统包括能量发射端和能量接收端两部分：发射端包括高频逆变器、发射端谐振补偿网络和发射线圈，高频逆变器将直流电变为高频交流电，高频交流电流经过谐振补偿网络，在发射线圈中产生高频交流磁场；接收端包括接收线圈、接收端谐振补偿网络和高频整流器，接收线圈感应到发射线圈产生的高频磁场后，经过接收端谐振补偿网络，向高频整流器输出高频交流电，高频整流器则将交流电变为直流电，向负荷提供电能，实现电能从发射端到接收端的无线传输。
[0004]在目前的感应式WPT系统中，为实现系统恒定电压或恒定电流输出，传统的方法需要在直流侧添加DC/DC变换器，在不同的负载和耦合系数条件下对系统输出进行动态调节。然而，添加DC/DC变流器会极大地增加WPT系统的体积、重量和成本，限制WPT系统的适用性。为了在不使用额外的DC/DC变换器情况下，发射端逆变器通常采用移相控制技术，以在各种工作条件下实现二次侧稳定的输出电压。但是采用这种方法，很难实现逆变器软开关，特别是在轻载的条件下，导致逆变器开关损耗增大；此外，传统的全桥高频逆变器在正常工作情况下由两个高频开关串联通过发射线圈电流，当电流值较大时，逆变器导通损耗将呈指数倍增加。因此，逆变器的总损耗增加，系统效率显著降低。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法。该方法在不增减高频开关数量的前提下，改变全桥逆变器为双半桥结构，降低逆变器导通损耗；进一步地，在不引入额外的DC/DC变换器且不采用逆变器移相调节的情况下，通过两个相等的可变电感对系统输出电流或电压进行动态调节，在满足恒定输出的条件下实现宽负载范围下的软开关操作，且避免了由于双半桥逆变器移相操作而产生的环流，降低逆变器开关损耗和环流损耗。综上所述，该方法同时考虑了逆变器的导通损耗、开关损耗、环流损耗的降低，可以显著提高系统能量传输效率。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法，包括如下步骤：
[0008]a.建立基于可变电感的双半桥逆变器WPT系统基波等效模型；
[0009]b.计算恒流/恒压输出条件下可变电感的操作范围；
[0010]c.建立可变电感磁路等效模型，根据可变电感操作范围设计可变电感；
[0011]d.设计系统的恒流/恒压输出闭环控制策略。
[0012]进一步地，所述WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源，所述直流输入电源的直流输入电压为V
dc
，所述直流输入电源连接有双半桥逆变器，所述双半桥逆变器包括MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3和MOS管S4，所述MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3和MOS管S4分别对应的门极信号为v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
、v
gs4
，MOS管S1和MOS管S3驱动信号相同，MOS管S2和MOS管S4驱动信号相同，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3和MOS管S4均导通50％周期，所述双半桥逆变器连接有发射线圈L
P
，所述发射线圈串联有相同的两个可变电感L1和L2，发射线圈L
P
与接收端的接收线圈L
S
磁耦合，发射线圈L
P
与接收线圈L
S
互感为M，所述接收端还包括与接收线圈L
S
连接的全桥二极管整流器，所述全桥二极管整流器与负载电阻R
L
电连接，发射线圈L
P
串联谐振电容C
P
，接收线圈串联谐振电容C
S
，发射线圈与接收线圈的寄生电阻分别为R
P
和寄生电阻R
s
。
[0013]进一步地，所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：
[0014]步骤1.根据WPT系统负载R
L
，计算整流器交流输入侧等效负载R
eq.L
和发射端输入侧等效负载R
eq.P
；根据双半桥逆变器，计算输出侧电压相量
[0015][0016]步骤2.计算双半桥逆变器输出侧电流发射端电流和接收端电流
[0017][0018]其中为逆变器输入侧电压相量，为双半桥逆变器输出侧电流相量；ω为系统的角频率；M为耦合机构的互感值；L为可变电感L1和L2的感值；
[0019]步骤3.计算WPT系统的输出电流I
out
和输出电压V
out
：
[0020][0021]其中V
dc
为逆变器的输入电压。
[0022]进一步地，所述步骤b中分析条件如下：
[0023]为保证WPT系统恒流/恒压输出，可变电感的操作范围需满足：
[0024][0025]G
I
为恒定的系统电流增益，G
V
为恒定的系统电压增益。
[0026]进一步地，所述步骤c中设计方法步骤如下：
[0027]可变电感为E形铁形状组合成的闭合线圈，可变电感由主绕组和辅助绕组两部分组成，主绕组位于E形铁的中间支柱上，辅助绕组位于与中间铁芯平行的两侧支柱上，两侧的辅助绕组匝数相同、串联连接且极性相反，通过辅助线性电流源电路向辅助绕组注入直流电流，控制该电流大小，实现对绕组电感的持续调节，；
[0028]具体地，建立基于双E形磁芯的可变电感等效磁路模型，根据所述步骤b中可变电感的操作范围，结合磁芯尺寸、B
‑
H曲线的参数分别对操作范围的最大值与最小值进行磁路计算，最终得到主、辅助绕组的匝数。
[0029]进一步地，所述步骤d中实现恒流/恒压输出的闭环控制策略步骤如下：
[0030]步骤1.采集WPT系统直流输出电压V
dc
和直流输出电流I
dc
，实时检测系统负载上的电压值，具体地，充电开始时，根据电池充电需求，系统以恒流充电模式运行，当负载电压值上升为恒压充电所需的值时，系统转变为恒压充电模式运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法，其特征在于，包括如下步骤：a.建立基于可变电感的双半桥逆变器WPT系统基波等效模型；b.计算恒流/恒压输出条件下可变电感的操作范围；c.建立可变电感磁路等效模型，根据可变电感操作范围设计可变电感；d.设计系统的恒流/恒压输出闭环控制策略。2.根据权利要求1所述的一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法，其特征在于，所述WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括直流输入电源，所述直流输入电源的直流输入电压为V
dc
，所述直流输入电源连接有双半桥逆变器，所述双半桥逆变器包括MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3和MOS管S4，所述MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3和MOS管S4分别对应的门极信号为v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
、v
gs4
，MOS管S1和MOS管S3驱动信号相同，MOS管S2和MOS管S4驱动信号相同，MOS管S1、MOS管S2、MOS管S3和MOS管S4均导通50％周期，所述双半桥逆变器连接有发射线圈L
P
，所述发射线圈串联有相同的两个可变电感L1和L2，发射线圈L
P
与接收端的接收线圈L
S
磁耦合，发射线圈L
P
与接收线圈L
S
互感为M，所述接收端还包括与接收线圈L
S
连接的全桥二极管整流器，所述全桥二极管整流器与负载电阻R
L
电连接，发射线圈L
P
串联谐振电容C
P
，接收线圈串联谐振电容C
S
，发射线圈与接收线圈的寄生电阻分别为R
P
和寄生电阻R
s
。3.根据权利要求1所述的一种基于可变电感的WPT系统高效恒流/恒压充电方法，其特征在于，所述步骤a中等效模型建立的步骤如下：步骤1.根据WPT系统负载R
L
，计算整流器交流输入侧等效负载R
eq.L
和发射端输入侧等效负载R
eq.P
；根据双半桥逆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，朱箫，刘顺攀，麦瑞坤，何正友，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：