本發(fā)明涉及一種無線充電系統(tǒng)的設(shè)計方法，特別涉及一種降低無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
：無線電能傳輸(WirelessPowerTransfer,WPT)的概念最早是由美國科學家特斯拉提出的。2007年，麻省理工學院的研究者提出了磁諧振式無線電能傳輸?shù)男路椒?。隨后，這項技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注，并在嵌入式醫(yī)療、手機以及電動汽車充電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而在實際應(yīng)用中，無線充電系統(tǒng)中存在著較大的無功功率，使得無線能量傳輸線圈、逆變器等設(shè)備承受著較大的電壓、電流應(yīng)力。為了應(yīng)對這種電應(yīng)力，就需要選取高耐壓、大電流的器件，進而帶來了系統(tǒng)成本的增加。同時，較大的電應(yīng)力也會對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成不利影響。專利CN103746462A“一種用于無線電能傳輸?shù)碾p邊LCC補償網(wǎng)絡(luò)及其調(diào)諧方法”提出了一種補償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并給出了設(shè)計方法。但其只針對系統(tǒng)性能指標進行設(shè)計，而并未考慮電應(yīng)力及其對系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響。專利CN104753152A“恒流-恒壓復(fù)合拓撲的感應(yīng)式充電系統(tǒng)”，采用零電壓開關(guān)技術(shù)提高變換器效率，同時減少無功功率，降低了器件應(yīng)力。但其未考慮系統(tǒng)中無功功率最大的無線能量傳輸線圈處的電壓、電流應(yīng)力。因此，需要一種在實現(xiàn)系統(tǒng)性能目標的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以降低系統(tǒng)電應(yīng)力的具體設(shè)計方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服當前無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力較大的問題，提出一種降低無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力的設(shè)計方法。本發(fā)明可為無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)，進而提高無線充電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并實現(xiàn)系統(tǒng)性能指標和電應(yīng)力指標的全面優(yōu)化、提高設(shè)計效率。應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計方法的無線充電系統(tǒng)包括系統(tǒng)電源、逆變器、原邊補償網(wǎng)絡(luò)、無線能量傳輸線圈、副邊補償網(wǎng)絡(luò)、整流器，以及系統(tǒng)負載。系統(tǒng)電源為整個無線充電系統(tǒng)提供電能，逆變器的輸入端與系統(tǒng)電源相連，將系統(tǒng)電源提供的電能轉(zhuǎn)化為高頻交流電；逆變器的輸出端與原邊補償網(wǎng)絡(luò)相連，高頻交流電經(jīng)過原邊補償網(wǎng)絡(luò)處理后輸送給無線能量傳輸線圈；無線能量傳輸線圈以空間電磁場的方式實現(xiàn)電能的無線傳輸；副邊補償網(wǎng)絡(luò)的輸入端與無線能量傳輸線圈相連，對無線能量傳輸線圈接收到的電能進行處理；整流器的輸入端與副邊補償網(wǎng)絡(luò)相連，將副邊補償網(wǎng)絡(luò)處理后的高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最終為與整流器輸出端連接的系統(tǒng)負載供電；上述部件之間通過電纜連接。本發(fā)明降低無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力的設(shè)計方法通過計算求得原邊補償網(wǎng)絡(luò)和副邊補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值，并根據(jù)實際系統(tǒng)測試對所求得的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進一步優(yōu)化，以降低無線充電系統(tǒng)的電應(yīng)力。本發(fā)明包含以下步驟：步驟A、建立包含系統(tǒng)電源、逆變器、原邊補償網(wǎng)絡(luò)、無線能量傳輸線圈、副邊補償網(wǎng)絡(luò)、整流器和系統(tǒng)負載的無線充電系統(tǒng)模型；步驟B、根據(jù)實際需求，確定系統(tǒng)性能指標的目標函數(shù)；步驟C、在保證性能指標的前提下，確定系統(tǒng)電應(yīng)力最小化的目標函數(shù)；步驟D、利用無線充電系統(tǒng)模型和目標函數(shù)，求解使無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力最小的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；步驟E、在實際系統(tǒng)中測試計算得到的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并根據(jù)測試結(jié)果對補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行優(yōu)化。所述步驟A的無線充電系統(tǒng)模型建立過程中，對所述的系統(tǒng)電源、系統(tǒng)負載、逆變器和整流器的描述有兩種方式：一種是選取特征變量，利用狀態(tài)空間平均法建立逆變器和整流器的狀態(tài)空間模型，并基于拓撲結(jié)構(gòu)建立線圈和補償網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)空間模型，進而得到系統(tǒng)模型；另一種方法則將所述的系統(tǒng)電源和逆變器綜合考慮作為無線充電系統(tǒng)模型的源，并將所述的整流器和系統(tǒng)負載綜合考慮作為無線充電系統(tǒng)模型的負載。所述步驟A的無線充電系統(tǒng)模型建立過程中，以集總參數(shù)表示無線能量傳輸線圈、原邊和副邊補償網(wǎng)絡(luò)，具體描述方法如下：無線能量傳輸線圈的自電感與線圈的雜散電阻串聯(lián)，而線圈之間的感性耦合作用則等效表示為與線圈之間的互電感；在原邊和副邊補償網(wǎng)絡(luò)中，電感的雜散電阻與電感串聯(lián)，電容的雜散電阻與電容串聯(lián)，而電感和電容之間的連接方式則取決于補償網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。由此，所述的建模過程全面考慮了無線充電系統(tǒng)中的各種變量和雜散參數(shù)，具有很高的精度。所述步驟A的無線充電系統(tǒng)模型建立過程中，模型參數(shù)的值通過實際測量得到，測量手段包括：采用示波器測量電源電壓；采用阻抗分析儀測量系統(tǒng)負載、以及無線能量傳輸線圈的阻抗。實際測量得到的模型參數(shù)使得所述的無線充電系統(tǒng)模型能夠表示不規(guī)則線圈形狀、線圈間距離偏差等實際因素帶來的影響，進而在復(fù)雜實際環(huán)境下具有良好的適用性。所述步驟B中系統(tǒng)性能指標包括系統(tǒng)工作的額定輸出功率、系統(tǒng)的傳輸效率、保證軟開關(guān)所需的逆變器負載阻抗、系統(tǒng)的偏移容忍度等；其中，保證軟開關(guān)所需的逆變器負載阻抗是指：通過設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使逆變器的負載呈一定程度的感性，以保證逆變器各電力電子器件能夠更好地工作在軟開關(guān)狀態(tài)。所述步驟B中系統(tǒng)性能指標目標函數(shù)的確定過程如下：首先根據(jù)需要充電的電池類型和電池組容量確定充電電流；再根據(jù)充電電流和電池組電壓確定額定充電功率，即無線充電系統(tǒng)的額定輸出功率，并利用額定輸出功率制定適當?shù)某潆娦誓繕?；一般大功率的無線充電系統(tǒng)效率較高，能達到90％以上，而小功率系統(tǒng)的效率偏低；然后根據(jù)額定輸出功率設(shè)計逆變器，得到保證軟開關(guān)所需的負載電感值；最后根據(jù)額定輸出功率設(shè)計無線能量傳輸線圈，得到線圈的尺寸，并根據(jù)尺寸確定線圈的偏移距離，用以表示系統(tǒng)的偏移容忍度。所述步驟C中，制定系統(tǒng)電應(yīng)力最小化目標函數(shù)的前提是保證系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率、軟開關(guān)、以及偏移容忍度等性能指標達到要求。所述步驟C中系統(tǒng)電應(yīng)力最小化目標函數(shù)的確定過程如下：首先利用無線充電系統(tǒng)模型，計算得到系統(tǒng)性能指標最優(yōu)時的無線能量傳輸線圈、逆變器和整流器的電壓、電流應(yīng)力；再考慮繞制線圈的導線，以及逆變器和整流器的電力電子器件本身的耐壓和過電流能力；然后對上述兩者進行綜合比較，選擇其中較小的電壓電流值作為電應(yīng)力的目標上限；最后根據(jù)電應(yīng)力目標上限，利用不等式關(guān)系得到電應(yīng)力最小化目標函數(shù)。所述步驟C中，系統(tǒng)電應(yīng)力最小化的目標函數(shù)包括：無線能量傳輸線圈電壓和電流應(yīng)力的目標函數(shù)、逆變器電力電子器件電壓和電流應(yīng)力的目標函數(shù)、以及整流器電力電子器件電壓和電流的目標函數(shù)。所述步驟C中，在保證性能指標的前提下再確定系統(tǒng)電應(yīng)力最小化的目標函數(shù)，這就使得本發(fā)明所述的設(shè)計方法能夠在達到輸出功率、傳輸效率、軟開關(guān)、偏移容忍度等基礎(chǔ)設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，進一步減小了無線能量傳輸線圈、逆變器和整流器的電壓、電流應(yīng)力，實現(xiàn)了對系統(tǒng)性能指標和電應(yīng)力最小化目標的全面優(yōu)化。所述步驟D中，補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的求解過程如下：首先根據(jù)無線充電系統(tǒng)模型列出系統(tǒng)各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系；然后求得系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率等性能指標與補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，進而得到無線能量傳輸線圈電壓、電流等電應(yīng)力指標與補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系；再根據(jù)設(shè)計要求確立待求解的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方程組；最后將性能指標目標函數(shù)和電應(yīng)力最小化目標函數(shù)作為約束條件，利用非線性方程求解方法求解補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方程組，得到補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值。所述步驟D中補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)方程組的求解過程中，系統(tǒng)性能指標目標函數(shù)為強約束條件，而電應(yīng)力最小化目標函數(shù)為弱約束條件；即求解過程應(yīng)優(yōu)先滿足性能指標約束條件，然后在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)電應(yīng)力的最小化。所述步驟D中的非線性方程求解方法可采用二分法、迭代法、牛頓法、割線法、延拓法、最速下降法等方法。所述步驟E中的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化過程如下：首先根據(jù)計算得到的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值搭建實際系統(tǒng)；然后測量實際系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率等性能指標，以及無線能量傳輸線圈、逆變器、整流器的電壓、電流應(yīng)力；再基于測量結(jié)果對補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值進行調(diào)整；最后得到滿足性能指標要求，并且電應(yīng)力最小的無線充電系統(tǒng)。所述步驟E中，基于測量結(jié)果對補償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值進行調(diào)整的具體方法如下：首先根據(jù)無線充電系統(tǒng)模型和實際系統(tǒng)，明確系統(tǒng)性能指標和電應(yīng)力指標隨補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化關(guān)系；再確定補償網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)之間的耦合關(guān)系；然后針對測量結(jié)果，利用補償網(wǎng)絡(luò)中各參數(shù)之間的耦合關(guān)系，以及系統(tǒng)性能指標和電應(yīng)力指標隨補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化關(guān)系，對一個或多個補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的值進行小幅調(diào)整，以使實際系統(tǒng)滿足性能指標和電應(yīng)力最小化的要求；最后在實際系統(tǒng)中對補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值的調(diào)整結(jié)果進行驗證，如果滿足要求，將調(diào)整后的值確定為最終值；如果尚未滿足要求，則繼續(xù)調(diào)整。所述步驟E中，實際系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率等性能指標采用功率分析儀進行測量；無線能量傳輸線圈、逆變器、整流器的電壓、電流應(yīng)力采用示波器或者萬用表進行測量。所述步驟E中，實際測試優(yōu)化過程中只需對計算得到的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值進行小幅調(diào)整即可滿足性能指標和電應(yīng)力最小化的設(shè)計要求；而補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值的計算過程則可以通過編寫程序模塊化實現(xiàn)，這就大大簡化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計效率。本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果：1、建立在高精度無線充電系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，具有良好的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性；2、保證系統(tǒng)性能指標的同時，實現(xiàn)電應(yīng)力的最小化，達到系統(tǒng)的全面優(yōu)化；3、實現(xiàn)方式簡單，提高了設(shè)計效率。附圖說明圖1為本發(fā)明降低無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力設(shè)計方法的流程圖；圖2為應(yīng)用本發(fā)明的無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例中建立的四線圈結(jié)構(gòu)無線充電系統(tǒng)模型。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步說明。應(yīng)用本發(fā)明設(shè)計方法的無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述的無線充電系統(tǒng)包括系統(tǒng)電源201、逆變器202、原邊補償網(wǎng)絡(luò)203、無線能量傳輸線圈204、副邊補償網(wǎng)絡(luò)205、整流器206、以及系統(tǒng)負載207。系統(tǒng)電源201為整個無線充電系統(tǒng)提供電能，逆變器202的輸入端與系統(tǒng)電源201相連，將系統(tǒng)電源提供的電能轉(zhuǎn)化為高頻交流電；逆變器202的輸出端與原邊補償網(wǎng)絡(luò)203相連，高頻交流電經(jīng)過原邊補償網(wǎng)絡(luò)203處理后輸送給無線能量傳輸線圈204；無線能量傳輸線圈204以空間電磁場的方式實現(xiàn)電能的無線傳輸；副邊補償網(wǎng)絡(luò)205的輸入端與無線能量傳輸線圈204相連，對無線能量傳輸線圈204接收到的電能進行處理；整流器206的輸入端與副邊補償網(wǎng)絡(luò)205相連，將副邊補償網(wǎng)絡(luò)205處理后的高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最終為與整流器206輸出端連接的系統(tǒng)負載207供電；上述部件之間通過電纜連接。以下通過具體實施例進一步說明本發(fā)明。本實施例中，針對一種四線圈結(jié)構(gòu)、采用串聯(lián)電容進行補償?shù)碾妱悠嚐o線充電系統(tǒng)，采用本發(fā)明的設(shè)計方法，通過設(shè)計其串聯(lián)補償電容的值來降低系統(tǒng)的電應(yīng)力，具體步驟如下：步驟A、建立包含系統(tǒng)電源、逆變器、原邊補償網(wǎng)絡(luò)、無線能量傳輸線圈、副邊補償網(wǎng)絡(luò)、整流器和系統(tǒng)負載的無線充電系統(tǒng)模型。將系統(tǒng)電源和逆變器綜合考慮作為無線充電系統(tǒng)模型的源US；并將整流器和系統(tǒng)負載綜合考慮作為無線充電系統(tǒng)模型的負載ZL。無線能量傳輸線圈、原邊和副邊補償網(wǎng)絡(luò)的建模過程中考慮四個線圈的自電感L1、L2、L3、L4，互電感M12、M13、M14、M23、M24、M34，雜散電阻R1、R2、R3、R4，以及四個線圈的串聯(lián)補償電容C1、C2、C3、C4。進而得到四線圈結(jié)構(gòu)、采用串聯(lián)電容進行補償?shù)臒o線充電系統(tǒng)的模型，如圖3所示。其中，模型的源US、第一線圈的自電感L1、第一線圈的串聯(lián)補償電容C1和第一線圈回路中的雜散電阻R1串聯(lián)構(gòu)成第一線圈回路；第二線圈的自電感L2、第二線圈的串聯(lián)補償電容C2和第二線圈回路中的雜散電阻R2串聯(lián)構(gòu)成第二線圈回路；第三線圈的自電感L3、第三線圈的串聯(lián)補償電容C3和第三線圈回路中的雜散電阻R3串聯(lián)構(gòu)成第三線圈回路；模型的負載ZL、第四線圈自電感L4、第四線圈的串聯(lián)補償電容C4和第四線圈回路中的雜散電阻R4串聯(lián)構(gòu)成第四線圈回路；互電感M12、M13、M14、M23、M24、M34用以表示線圈之間的感性耦合作用。在上述模型的基礎(chǔ)上，采用示波器測量電源電壓，采用阻抗分析儀測量負載和無線能量傳輸線圈的阻抗，以得到模型中各參數(shù)的值。步驟B、根據(jù)實際需求，確定系統(tǒng)性能指標的目標函數(shù)。根據(jù)電動汽車充電的實際需求，確定無線充電系統(tǒng)的額定輸出功率Po為3.3kW。對于千瓦級的電動汽車無線充電系統(tǒng)，其目標效率傳輸效率η應(yīng)在90％以上。然后根據(jù)額定輸出功率得出系統(tǒng)保證軟開關(guān)所需的逆變器負載電感Lsoft、系統(tǒng)偏移容忍度dmis的目標函數(shù)。綜上，能夠得到系統(tǒng)性能的目標函數(shù)如公式(1)所示：Po＝3300,η＝90％,Lsoft＝20,dmis＝10。(1)其中，Po為系統(tǒng)額定輸出功率，單位為W；η為系統(tǒng)傳輸效率；Lsoft為保證軟開關(guān)所需的逆變器負載電感，單位為uH；dmis為系統(tǒng)的偏移容忍度，單位為cm。步驟C、在保證性能指標的前提下，確定系統(tǒng)電應(yīng)力最小化的目標函數(shù)。在保證系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率、軟開關(guān)、以及偏移容忍度等性能指標達到要求的前提下，綜合考慮系統(tǒng)性能指標最優(yōu)時的無線能量傳輸線圈、逆變器和整流器的電壓、電流應(yīng)力，以及繞制線圈的導線、逆變器和整流器的電力電子器件本身的耐壓和過電流能力，制定系統(tǒng)電應(yīng)力最小化的目標函數(shù)，具體包括：無線能量傳輸線圈電壓、電流應(yīng)力的目標函數(shù)Ucoil和Icoil，逆變器電力電子器件電壓、電流應(yīng)力的目標函數(shù)Uinv和Iinv，以及整流器電力電子器件電壓、電流的目標函數(shù)Urec和Irec，如公式(2)所示：Ucoil≤800,Icoil≤20,Uinv≤650,Iinv≤15,Urec≤650,Irec≤15.---(2)]]>其中，Ucoil、Uinv和Urec分別為無線能量傳輸線圈、逆變器和整流器的電壓應(yīng)力有效值目標函數(shù)，單位為V；Icoil、Iinv和Irec分別為無線能量傳輸線圈、逆變器和整流器的電流應(yīng)力有效值目標函數(shù)，單位為A。步驟D、利用無線充電系統(tǒng)模型和目標函數(shù)，求解使無線充電系統(tǒng)電應(yīng)力最小的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。首先根據(jù)圖3所示的無線充電系統(tǒng)模型，列出無線充電系統(tǒng)各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，如公式(3)所示：Z11Z12Z13Z14Z12Z22Z23Z24Z13Z23Z33Z34Z14Z24Z34Z44+ZLI1I2I3I4=US000.---(3)]]>Z11＝R1+j(2πfL1-1/2πfC1),Z22＝R2+j(2πfL2-1/2πfC2),Z33＝R3+j(2πfL3-1/2πfC3),Z44＝R4+j(2πfL4-1/2πfC4),Zmn＝j(luò)2πfMmn,m,n＝1,2,3,4andm≠n.其中，f為系統(tǒng)工作頻率，US為模型的源電壓，ZL為模型的負載阻抗；I1、I2、I3、I4分別為第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈中的電流，L1、L2、L3、L4分別為第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈的自電感，R1、R2、R3、R4分別為第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈回路中的雜散電阻，C1、C2、C3、C4分別為第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈的串聯(lián)補償電容；Mmn為無線能量傳輸線圈第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈兩兩之間的互電感值；Z11、Z22、Z33、Z44分別為第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈回路的自阻抗；Zmn為無線能量傳輸線圈第一線圈、第二線圈、第三線圈和第四線圈兩兩之間的互阻抗值；然后求得系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率等性能指標與串聯(lián)補償電容C1、C2、C3、C4的函數(shù)關(guān)系，進而得到無線能量傳輸線圈電壓、電流等電應(yīng)力指標與串聯(lián)補償電容C1、C2、C3、C4的函數(shù)關(guān)系；再根據(jù)設(shè)計要求確立待求解的補償電容方程組；最后將性能指標目標函數(shù)和電應(yīng)力最小化目標函數(shù)作為約束條件，利用二分法、迭代法、牛頓法、割線法等非線性方程求解方法求解補償電容方程組，得到補償電容C1、C2、C3、C4的參數(shù)值。步驟E、在實際系統(tǒng)中測試計算得到的補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并根據(jù)測試結(jié)果對補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行優(yōu)化。首先通過編寫程序模塊化實現(xiàn)補償電容C1、C2、C3、C4參數(shù)值的計算，并根據(jù)計算結(jié)果搭建實際系統(tǒng)；然后用功率分析儀測量實際系統(tǒng)的輸出功率、傳輸效率等性能指標，并用示波器或者萬用表測量無線能量傳輸線圈、逆變器、整流器的電壓、電流應(yīng)力；再利用補償電容C1、C2、C3、C4之間的耦合關(guān)系，以及系統(tǒng)性能指標和電應(yīng)力指標隨補償電容C1、C2、C3、C4的變化關(guān)系，對一個或多個補償電容的參數(shù)值進行小幅調(diào)整，并在實際系統(tǒng)中對補償電容參數(shù)值的調(diào)整結(jié)果進行驗證；最后得到滿足性能指標要求，并且電應(yīng)力最小的無線充電系統(tǒng)。當前第1頁1 2 3