基于傅里叶级数模型的LCC-LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于傅里叶级数模型的LCC

【技术实现步骤摘要】
基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法


[0001]本专利技术应用于电力电子的
,特别涉及一种基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法。

技术介绍

[0002]无线电能传输技术是一种借助于空间无形软介质(如电场、磁场、声波等)将电能由电源端传递至用电设备的一种传输模式。无线电能传输技术中，为了优化输出电力特性以及便于控制，会增加谐振腔的补偿拓扑。现已经有多种补偿拓扑被运用到无线电能传输技术中，常见的无线充电系统的初级侧(地端)和次级侧(车端)谐振补偿拓扑比较多，主要有串联谐振(S)、并联谐振(P)、串并联混合型的LCL及LCC等四类，那么基于这四种谐振补偿拓扑可以形成多种组合。目前已形成地端串联
‑
车端串联(S
‑
S)、地端串联
‑
车端并联(S
‑
P)、地端并联
‑
车端串联(P
‑
S)、地端并联
‑
车端并联(P
‑
P)、地端LCL
‑
车端并联(LCL
‑
S)、地端LCL
‑
车端LCL(LCL
‑
LCL)、地端LCC
‑
车端串联(LCC
‑
S)、地端LCC
‑
车端LCC(LCC
‑
LCC)等多种结构，而且每种组合的拓扑结构均具有独特的特点及传输特性。
[0003]通常来说，像LCL和LCC这类高阶补偿拓扑的参数设计会比较困难，且目前存在以下几个缺点：1)这种高阶补偿拓扑的无线电能传输系统的参数验证需要很多次用试验机进行实验验证和多次修改线圈以及补偿拓扑的参数，非常耗时耗力；2)由于无线电力传输系统对互感参数非常敏感，因此需要谐振参数非常精准，而且验证工作很难进行；3)TPS控制策略下的不同工作状态的信号分析很困难，从实际实验数据中也很难分析出问题和评估设计参数；4)现行的spice模型和saber等模型在分析这种TPS控制策略下的电路系统没有什么优势(无论是互感模型还是控制源模型都没办法很好的描述TPS的电压特性和无线充电系统的基本性质)，而且这些方法都没办法很难精准地对TPS控制策略下的电气参数进行建模。即目前的LCL和LCC这类高阶补偿拓扑的参数设计需要兼顾的性能参数比较多，而且工程条件比较繁杂，而且其设计参数完成之后也缺少比较结构化而且可靠的评价手段，这就意味着后续的研发工作中需要更多的试验和验证工作。因此，无线电能传输补偿拓扑的设计参数急需研究一种全面而且综合的参数评估方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法。
[0005]傅里叶级数模型是一类常用于电力电子，通信工程和微电子等领域的工程数学方法，是指将周期性的信号分解为一组正弦和余弦函数的级数形式。具体来说，它将周期性信号表示为三角函数的线性组合，把每个正弦或者余弦成分称为一个谐波。根据这样的模型可以把复杂的信号分解成一系列简单的谐波信号，这有助于分析和研究。而本专利技术用这种工程数学方法来建立一种高阶补偿拓扑的分析和评估方法。
[0006]另外，本专利技术所评估的设计参数是其在TPS控制策略下的运作性能和特点。TPS控制策略是一种用于无线电能传输中的控制策略，是一种新颖的而且实用的控制策略。TPS控制策略是在整个无线电能传输系统中有三个不同的相移量并分别地对其进行控制的方法，这三个相移量分别是地端移相角车端移相角和系统相位角θc。
[0007]而本专利技术是一种通过傅里叶级数模型，对在TPS控制策略下的无线传输系统的LCC
‑
LCC补偿拓扑的设计参数进行评估、分析和优化的方法及其软件算法。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术包括以下步骤：
[0009]A.在TPS控制策略下输入工作条件和LCC
‑
LCC的谐振腔的参数；
[0010]B.对移相全桥的电压激励源进行建模，通过在TPS下的全桥输出电压的傅里叶三角级函数表达形式得到地端全桥的输出电压V
pi
和车端全桥的输出电压V
si
；
[0011]C.对电路系统的特性进行建模，基于LCC
‑
LCC的电路的原理，在电路的两侧存在电压脉冲源的前提下分析阻抗特性，所述阻抗特性包括分析计算出从车端到地端的阻抗Z
p_in
和分析计算从出地端到车端的阻抗Z
s_in
，接着对关键参数进行换算，所述关键参数包括等效匝比n、互感L
m
、地端漏磁L
pe
、车端漏磁L
se
，并计算出从车端到地端的对侧阻抗Z
s_p
和从出地端到车端的阻抗Z
p_s
；
[0012]D.在TPS控制策略下无线充电系统的电流向量进行表达和计算；由傅里叶三角级函数表达形式得到的V
pi
和V
si
，以及电路阻抗Z
p_in
和Z
s_in
，计算得到地端谐振电流i
pi
和车端谐振电流i
si
，并通过计算程序去分别地演算出多达N阶的V
pi
和V
si
对应的地端谐振电流i
pi
和车端谐振电流i
si
，然后分别地显示它们的相量图并叠加它们，最后形成叠加的效果图；
[0013]E.计算TPS无线充电系统的功率，通过仿真给定工作条件下的各个阶次下的电压V
pi
和V
s
以及电流i
pi
和i
si
成分，并分析出其输出功率的有功功率P
s
和无功功率Q
s
，而且可以分析其功率角θ
power
和系统移相角θ
c
之间的关系，使开发人员可以根据每种谐波成分下激励效果去直接地评估这种设计参数的优劣并改进。
[0014]进一步的，所述步骤A中的输入工作条件包括耦合系数k、负载电阻RL、工作频率fw、角频率w、系统输入电压V
in
、输入谐振腔的地端电压、地端相位角的角度值、系统输出电压V
out
、输入谐振腔的车端电压、车端移相角的角度值、系统相位角θ
c
的角度值；谐振腔的参数包括地端线圈电感L
p
、地端谐振电感L
rp
、地端串联电容C
ps
、地端并联电容C
p
、地端线圈内阻R
p
、车端线圈电感L
s
、车端谐振电感L
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法，其特征在于，它包括以下步骤：A.在TPS控制策略下输入工作条件和LCC
‑
LCC的谐振腔的参数；B.对移相全桥的电压激励源进行建模，通过在TPS下的全桥输出电压的傅里叶三角级函数表达形式得到地端全桥的输出电压V
pi
和车端全桥的输出电压V
si
；C.对电路系统的特性进行建模，基于LCC
‑
LCC的电路的原理，在电路的两侧存在电压脉冲源的前提下分析阻抗特性，所述阻抗特性包括分析计算出从车端到地端的阻抗Z
p_in
和分析计算从出地端到车端的阻抗Z
s_in
，并计算出从车端到地端的对侧阻抗Z
s_p
和从出地端到车端的阻抗Z
p_s
；D.在TPS控制策略下无线充电系统的电流向量进行表达和计算；由傅里叶三角级函数表达形式得到的V
pi
和V
si
，以及电路阻抗Z
p_in
和Z
s_in
，计算得到地端谐振电流i
pi
和车端谐振电流i
si
，并通过计算程序去分别地演算出多达N阶的V
pi
和V
si
对应的地端谐振电流i
pi
和车端谐振电流i
si
；E.计算TPS无线充电系统的功率，通过仿真给定工作条件下的各个阶次下的电压V
pi
和V
s
以及电流i
pi
和i
si
成分，并分析出其输出功率的有功功率P
s
和无功功率Q
s
，而且可以分析其功率角θpower和系统移相角θc之间的关系。2.根据权利要求1所述的基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法，其特征在于：所述步骤A中的输入工作条件包括耦合系数k、负载电阻RL、工作频率fw、角频率w、系统输入电压V
in
、输入谐振腔的地端电压、地端相位角的角度值、系统输出电压V
out
、输入谐振腔的车端电压、车端移相角的角度值、系统相位角θ
c
的角度值；谐振腔的参数包括地端线圈电感L
p
、地端谐振电感L
rp
、地端串联电容C
ps
、地端并联电容C
p
、地端线圈内阻R
p
、车端线圈电感L
s
、车端谐振电感L
rs
、车端串联电容C
ss
、车端并联电容C
s
和车端线圈内阻R
s
。3.根据权利要求2所述的基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法，其特征在于：所述步骤B中的地端全桥的输出电压V
pi
：车端全桥的输出电压V
si
：其中V
in
是输入电压，V
out
是输出电压，w是角频率，是地端移相角，是车端移相角，θ
c
系统相位角。4.根据权利要求3所述的基于傅里叶级数模型的LCC
‑
LCC补偿拓扑在TPS模式下的分析方法，其特征在于：所述步骤C中的从车端到地端的阻抗Z
p_in
的计算过程包括以下步骤，从地端看进去的阻抗计算，基于LCC
‑
LCC的电路的原理图由右至左分别地为：车端谐振电感支路阻抗：Z
si
＝jωL
rs
车端至地端的车端并联电容支路阻抗：
车端至地端的车端串联电容以及接收漏磁支路阻抗：车端至地端的等效匝比变换阻抗：Z
srp
＝n2Z
srt
车端至地端的互感阻抗：车端至地端的地端串联电容以及发射漏磁支路阻抗：车端至地端的地端并联电容支路阻抗：从车端到地端的阻抗即从地端看进去的阻抗：Z
p_in
＝jωL
rp
+Z
src
；所述步骤C中的从出地端到车端的阻抗Z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健斌，杨程喻，骆象豪，徐宇峰，邹建俊，
申请(专利权)人：广东泰坦智能动力有限公司，
类型：发明
国别省市：