本發(fā)明涉及感應電能傳輸技術領域,具體涉及一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法。
背景技術:
感應電能傳輸(inductivepowertransfer,ipt)技術作為主流無線電能傳輸(wirelesspowertransfer)技術之一,得到了越來越廣泛的關注與研究。隨著ipt技術的迅速發(fā)展,該技術在交通運輸、照明系統(tǒng)、電子產(chǎn)品充電以及生物醫(yī)電等諸多領域的應用逐漸推廣。
近年來,許多科研者致力于提升ipt系統(tǒng)能量傳輸容量或者效率,并且上述二者均與負載以及磁場耦合強度密切相關。然而在很多實際應用中,負載以及互感的變化無法避免且不可知。以電動汽車的無線供電為例,不同的電動汽車有不同的負載特性以及不同的能量需求。同時,不同的底盤高度以及底盤與能量發(fā)射線圈之間的偏移將導致互感的變化。一般而言,為了獲得負載以及互感信息,在系統(tǒng)能量發(fā)射端及接收端之間建立額外的通信系統(tǒng)是一種常用的解決方案。然而,如能無需通信系統(tǒng)而獲取上述信息無疑將降低系統(tǒng)體積、成本以及復雜度。
如今,已有學者在互感固定的情況下提出了一些ipt系統(tǒng)的負載識別方法。此外,文獻suy,zhangh,wangiz,patrickhua,chenl,suny.steady-stateloadidentificationmethodofinductivepowertransfersystembasedonswitchingcapacitors.ieeetransactionsonpowerelectronics,2015,30(11):6349~6355.針對s/s型ipt系統(tǒng),通過切換系統(tǒng)原邊諧振回路中增加的補償電容完成了負載與互感識別。由于并聯(lián)補償具有電壓泵升特性以及固有的電流限流能力,因此它在實際應用中得以廣泛運用。然而,目前暫時沒有針對能量拾取端諧振網(wǎng)絡為并聯(lián)補償拓撲的ipt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別的相關研究。因此,本發(fā)明針對副邊電路為并聯(lián)補償形式,能量發(fā)射端諧振網(wǎng)絡可為串聯(lián)補償、并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償?shù)膇pt系統(tǒng),提出了一種穩(wěn)態(tài)條件下的負載與互感參數(shù)識別方法。
技術實現(xiàn)要素:
本申請通過提供一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法,針對副邊電路為并聯(lián)補償形式,能量發(fā)射端諧振網(wǎng)絡可以為串聯(lián)補償、并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償?shù)膇pt系統(tǒng),僅需要在系統(tǒng)能量發(fā)射端檢測系統(tǒng)運行頻率、逆變器輸出電流及電壓有效值就可實現(xiàn)負載及互感參數(shù)的識別,并且該方法無需額外電路即可實現(xiàn),因此不會降低系統(tǒng)功率密度,同時不會增加系統(tǒng)成本及控制難度。
為解決上述技術問題,本申請采用以下技術方案予以實現(xiàn):
一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法,包括如下步驟:
s1:確定ipt系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)并獲取對應的系統(tǒng)參數(shù);
要求ipt系統(tǒng)的副邊電路采用能量接收線圈ls與補償電容cs并聯(lián)形式,原邊電路采用原邊線圈lp與補償電容cp串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)補償或者原邊線圈lp與補償電容cp并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)補償或者原邊線圈lp與補償電容cp并聯(lián)后再與電感l(wèi)r串聯(lián)構(gòu)成的lcl補償;
對應的系統(tǒng)參數(shù)包括:原邊線圈lp、能量接收線圈ls、電感l(wèi)r、補償電容cp、補償電容cs、原邊線圈lp的串聯(lián)等效電阻rp、能量接收線圈ls的串聯(lián)等效電阻rs以及電感l(wèi)r的串聯(lián)等效電阻rr;
s2:測量逆變器輸出電壓uinv、輸出電流iinv及系統(tǒng)運行頻率f;
s3:判斷原邊電路的補償形式,如果是串聯(lián)補償或者并聯(lián)補償,則進入步驟s4,如果是lcl補償,則進入步驟s8;
s4:定義參數(shù)ψ=ωcsr,式中,ω為系統(tǒng)實際運行角頻率,r為負載,根據(jù)方程式m1ψ2+m2ψ+m3=0求解得到參數(shù)ψ1和參數(shù)ψ2:
對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
式中,參數(shù)
對于原邊并聯(lián)補償或者lcl補償拓撲而言:
其中,
式中,參數(shù)α1=1-ω2lpcp,參數(shù)β1=ωcprp;
s5:定義并計算變量μ=σ(n)-1-σ(n)-2,其中,
ε(n)-i=iinv(n)-mea-iinv(n)-i
式中,iinv(n)-mea為iinv的n次諧波有效值的測量值,iinv(n)-i為iinv的n次諧波有效值,i=1,2,n=3,5...2k+1;
s6:判斷是否滿足μ<0,如果是,則進入步驟s7,否則進入步驟s8;
s7:根據(jù)參數(shù)ψ1計算負載r1及互感m1,完成負載與互感的識別;
s8:根據(jù)步驟s4計算參數(shù)ψ2,進入步驟s9;
s9:根據(jù)參數(shù)ψ2計算負載r2及互感m2,完成負載與互感的識別。
進一步地,步驟s1中構(gòu)建的副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)的參數(shù)滿足以下關系:
式中,ω0為固有諧振頻率,s/p表示原邊串聯(lián)補償、副邊并聯(lián)補償,p/p表示原邊并聯(lián)補償、副邊并聯(lián)補償,lcl/p表示原邊lcl補償、副邊并聯(lián)補償。
進一步地,步驟s7中對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
負載
對于原邊并聯(lián)補償拓撲而言:
負載
進一步地,步驟s9中對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
負載
對于原邊并聯(lián)以及l(fā)cl補償拓撲而言:
負載
與現(xiàn)有技術相比,本申請?zhí)峁┑募夹g方案,具有的技術效果或優(yōu)點是:該方法無需額外的控制以及通信電路,僅需要在系統(tǒng)能量發(fā)射端檢測系統(tǒng)運行頻率、逆變器輸出電流及電壓有效值即可實現(xiàn),因此不會降低系統(tǒng)功率密度,同時系統(tǒng)成本以及控制難度也不會增加。
附圖說明
圖1為副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)等效電路拓撲;
圖2(a)為能量拾取端串聯(lián)補償拓撲;
圖2(b)為能量拾取端并聯(lián)補償拓撲;
圖2(c)為能量拾取端lcl補償拓撲;
圖3為原邊串聯(lián)補償下,不同r時ωn隨m變化曲線圖;
圖4為原邊串聯(lián)補償下,不同ωn時m1·m3變化曲線圖;
圖5(a)為原邊并聯(lián)補償下,不同r時ωn隨m變化曲線圖;
圖5(b)為原邊lcl補償下,不同r時ωn隨m變化曲線圖;
圖6(a)為原邊并聯(lián)補償下,不同ωn時m1·m3變化曲線圖;
圖6(b)為原邊lcl補償下,不同ωn時m1·m3變化曲線圖;
圖7為原邊lcl補償下,不同ωn時ψ2變化曲線圖;
圖8為識別方法流程圖;
圖9為負載與互感識別方法結(jié)構(gòu)圖;
圖10為仿真結(jié)果示意圖;
圖11為負載固定情況下的實驗識別結(jié)果圖;
圖12為互感固定情況下的實驗識別結(jié)果圖。
具體實施方式
本申請實施例通過提供一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法,針對副邊電路為并聯(lián)補償形式,能量發(fā)射端諧振網(wǎng)絡可以為串聯(lián)補償、并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償?shù)膇pt系統(tǒng),僅需要在系統(tǒng)能量發(fā)射端檢測系統(tǒng)運行頻率、逆變器輸出電流及電壓有效值就可實現(xiàn)負載及互感參數(shù)的識別,以解決現(xiàn)有技術中為了獲得負載及互感信息需要建立額外的通信系統(tǒng)所帶來的系統(tǒng)功率密度、成本以及控制難度的增加的技術問題。
為了更好的理解上述技術方案,下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式,對上述技術方案進行詳細的說明。
實施例:
圖1給出了副邊電路為并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)等效電路拓撲。
其系統(tǒng)的原邊電路補償形式可以為以下三種:如圖2(a)所示為原邊線圈lp與補償電容cp串聯(lián)構(gòu)成的原邊串聯(lián)諧振回路,圖2(b)所示為原邊線圈lp與補償電容cp并聯(lián)構(gòu)成的原邊并聯(lián)諧振回路。如圖2(c)所示的lcl諧振回路由原邊線圈lp并聯(lián)補償電容cp后再與電感l(wèi)r串聯(lián)構(gòu)成。在系統(tǒng)副邊,能量接收線圈ls與并聯(lián)補償電容cs構(gòu)成副邊諧振回路,并將能量傳遞給負載,圖中將系統(tǒng)整流環(huán)節(jié)與負載等效為負載r,m為耦合線圈lp、ls之間互感,rp、rs以及rr分別為線圈lp、ls以及電感l(wèi)r的串聯(lián)等效電阻,uinv與iinv分別為逆變器輸出電壓與輸出電流。
為了降低電源輸入的無功功率以及提高系統(tǒng)能量傳輸能力,系統(tǒng)的運行頻率應與原邊以及副邊電路的固有諧振頻率相近。因此,為了使得系統(tǒng)原邊以及副邊電路的固有諧振頻率均近似為ω0,系統(tǒng)電路參數(shù)滿足以下關系:
式中,ω0為固有諧振頻率,s/p表示原邊串聯(lián)補償、副邊并聯(lián)補償,p/p表示原邊并聯(lián)補償、副邊并聯(lián)補償,lcl/p表示原邊lcl補償、副邊并聯(lián)補償。
在系統(tǒng)的能量發(fā)射端,諧振電感與電容組成了低通濾波器,從而抑制了諧振回路中的高次諧波,因此本發(fā)明在分析中僅考慮了基波的存在。表1給出了逆變器輸出電壓uinv以及輸出電流iinv的均方根值(root-mean-square,rms),其中umea以及imea分別表示逆變器輸出電壓以及輸出電流均方根值的測量值。
表1uinv以及iinv的均方根值
系統(tǒng)中涉及到的電路參數(shù)值:原邊線圈lp、能量接收線圈ls、電感l(wèi)r、補償電容cp、補償電容cs、原邊線圈lp的串聯(lián)等效電阻rp、能量接收線圈ls的串聯(lián)等效電阻rs以及電感l(wèi)r的串聯(lián)等效電阻rr均在實驗前測量得到,且在實驗過程中不會發(fā)生影響實驗結(jié)果的變化,因此,在本實施例中將上述參數(shù)視為已知的固定參數(shù)。
由圖1可以推導如下形式kvl回路方程:
其中,參數(shù)z11、z12、z21及z22的表達式分別列于表2中,ω為系統(tǒng)實際運行角頻率。
表2z11,z12,z21以及z22表達式
其中
γ=ωm(4)
為了便于以下數(shù)學推導,定義參數(shù)ψ=ωcsr,于是副邊諧振網(wǎng)絡阻抗zs表達如下:
由式(2),可以得到
進一步,輸入阻抗zin可以由式(6)得到:
一般來說,系統(tǒng)會以零相角頻率運行從而最小化電源視在功率等級。當系統(tǒng)運行于此頻率時,uinv與iinv同相進而獲得以下關系式:
其中,
如下定義參數(shù)zθ:
于是,式(10)可表達為:
參照表2,zθ的數(shù)值可以計算得到,同時也可得到
對于原邊并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償拓撲而言:
由式(4)與(5)看出,互感m僅與變量γ相關,而等效電阻值r包含于變量α2和β2中。因此,式(14)與(15)中的全部變量除了α2、β2和γ均為已知。將式(12)和(13)分別代入式(14)和(15)可消去變量γ,于是得到關于變量ψ的一般性方程:
m1ψ2+m2ψ+m3=0(16)
對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
對于原邊并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償拓撲而言:
其中:
最終,ψ由式(16)計算得到:
于是,基于ψ1和ψ2可得到兩組r和m的表達式。
對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
對于原邊并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償拓撲而言:
由式(20)至(22)可發(fā)現(xiàn),基于上述識別模型可以獲得兩組識別結(jié)果。其中一組解的數(shù)值接近測量值,認為這一組解為合理解;另外一組解則與測量值偏差甚遠,認為這一組為非合理解。
為了剔除非合理解,首先分析ψ1與ψ2的正負性。由于至少存在一個為正的解,因此僅存在兩種可能:1)其中一個解為正值(即ψ1ψ2<0);2)均為正值(即ψ1ψ2>0)。以s/p型ipt系統(tǒng)為例進行分析,首先定義歸一化角頻率ωn=ω/ω0,于是變量zθ、m1和m3可重寫為如下形式:
其中:
基于式(16)可知ψ1ψ2的正負性與m1m3一致
由式(23)可以發(fā)現(xiàn),m1及m3的值與ωn相關。當負載以及互感變化時,系統(tǒng)的運行頻率將隨之改變以達到零相角頻率。因此,不同負載電阻值以及互感值情況下的ωn可以計算得到,由圖3給出。
通常而言,ipt系統(tǒng)的耦合系數(shù)k范圍為0.1-0.3(對于本實施例中所研究的三個系統(tǒng),其互感值約為15μh-45μh)。由圖3可以看到,互感值在上述變化范圍內(nèi)時,ωn恒大于1。進一步,式(9)可以表達為如下形式:
將式(26)對r進行求導:
求解式(27)可以得到rm的表達式:
當r為rm時,k為最大值;當r趨于正無窮時,k取最小值,如下式:
綜上,ωn的邊界范圍可由下式計算得到,該區(qū)間近似為[1.005,1.195]。
在此條件下,基于式(23)可以得到m1·m3在ωn不同取值情況下的曲線圖,如圖4所示。
當原邊電路為并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償時,圖5分別給出了ωn的變化曲線??梢钥闯?,當k值處于[0.1,0.3]區(qū)間時,ωn同樣恒大于1。
類似地,對于原邊并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償拓撲而言,ωn的范圍可以計算得到,圖6給出了m1·m3在此范圍內(nèi)的變化曲線。
對于原邊lcl補償,由圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)ψ1與ψ2其中一個解為負值。圖7進一步給出了ψ2在不同ωn取值時的變化曲線,因此確定ψ2為正且為合理解。
另一方面,對于原邊串聯(lián)與并聯(lián)補償,由圖4及圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)ψ1與ψ2均為正值。如上面所述,本發(fā)明中的計算均是以基波近似為條件。因此,為了區(qū)分這兩組識別結(jié)果可在高次諧波上尋得差異,進而本實施例分別基于ψ1與ψ2計算逆變輸出電流iinv高次諧波的有效值。隨后,將得到的兩個計算值與iinv高次諧波有效值的測量值進行比較,更為接近測量值的則為所需要的識別結(jié)果。
此處仍以s/p型ipt系統(tǒng)為例,iinv的n次諧波有效值可分別由ψ1與ψ2計算得到:
其中,ri及mi可由式(21)計算得到;uinv(n)代表逆變輸出電壓uinv的n次諧波有效值,表達式如下:
于是,計算值iinv(n)-i與測量得到的iinv的前n次諧波有效值間均方差值可計算得到:
其中
iinv(n)-mea表示iinv的n次諧波有效值的測量值,較小的均方差值σ(n)-i代表計算值iinv(n)-i更為接近測量值。本實施例中僅計算三次諧波及五次諧波,且如下定義變量μ:μ=σ(5)-1-σ(5)-2(35)
顯然,當μ為負時剔除解ψ2,反之剔除解ψ1。對于原邊并聯(lián)補償拓撲,非合理解的剔除方法類似,因此本實施例不再贅述。
綜上所述,一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法,如圖8所示,包括如下步驟:
一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法,包括如下步驟:
s1:確定ipt系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)并獲取對應的系統(tǒng)參數(shù);
要求ipt系統(tǒng)的副邊電路采用能量接收線圈ls與補償電容cs并聯(lián)形式,原邊電路采用原邊線圈lp與補償電容cp串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)補償或者原邊線圈lp與補償電容cp并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)補償或者原邊線圈lp與補償電容cp并聯(lián)后再與電感l(wèi)r串聯(lián)構(gòu)成的lcl補償;
對應的系統(tǒng)參數(shù)包括:原邊線圈lp、能量接收線圈ls、電感l(wèi)r、補償電容cp、補償電容cs、原邊線圈lp的串聯(lián)等效電阻rp、能量接收線圈ls的串聯(lián)等效電阻rs以及電感l(wèi)r的串聯(lián)等效電阻rr;
其中,構(gòu)建的副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)的參數(shù)滿足以下關系:
式中,ω0為固有諧振頻率,s/p表示原邊串聯(lián)補償、副邊并聯(lián)補償,p/p表示原邊并聯(lián)補償、副邊并聯(lián)補償,lcl/p表示原邊lcl補償、副邊并聯(lián)補償;
s2:測量逆變器輸出電壓uinv、輸出電流iinv及系統(tǒng)運行頻率f;
s3:判斷原邊電路的補償形式,如果是串聯(lián)補償或者并聯(lián)補償,則進入步驟s4,如果是lcl補償,則進入步驟s8;
s4:定義參數(shù)ψ=ωcsr,式中,ω為系統(tǒng)實際運行角頻率,r為負載,根據(jù)方程式m1ψ2+m2ψ+m3=0計算參數(shù)ψ1和參數(shù)ψ2:
對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
式中,參數(shù)
對于原邊并聯(lián)補償或者lcl補償拓撲而言:
其中,
式中,參數(shù)α1=1-ω2lpcp,參數(shù)β1=ωcprp;
s5:定義并計算變量μ=σ(n)-1-σ(n)-2,其中,
ε(n)-i=iinv(n)-mea-iinv(n)-i
式中,iinv(n)-mea為iinv的n次諧波有效值的測量值,iinv(n)-i為iinv的n次諧波有效值,i=1,2,n=3,5...2k+1;
s6:判斷是否滿足μ<0,如果是,則進入步驟s7,否則進入步驟s8;
s7:根據(jù)參數(shù)ψ1計算負載r1及互感m1,完成負載與互感的識別;
對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
負載
對于原邊并聯(lián)補償拓撲而言:
負載
s8:計算參數(shù)ψ2,并進入步驟s9;
s9:根據(jù)參數(shù)ψ2計算負載r2及互感m2,完成負載與互感的識別。
對于原邊串聯(lián)補償拓撲而言:
負載
對于原邊并聯(lián)以及l(fā)cl補償拓撲而言:
負載
為了驗證該識別方法的可行性,本實施例基于matlab/simulink仿真平臺根據(jù)圖1建立了相應的仿真模型,仿真時間設置為0.2ms并且系統(tǒng)已穩(wěn)態(tài)運行,最大仿真步長設置為0.1us。本實施例中仿真參數(shù)按照實驗系統(tǒng)中的實際測量值進行設置,并列于表3中。
圖9給出了本發(fā)明識別方法的結(jié)構(gòu)圖。通過檢測輸出電壓以及電流的相位以調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行頻率,進而保證系統(tǒng)工作在零相角頻率條件下。uinv,iinv以及f的數(shù)值由檢測單元采樣得到;iinv(3)-mea及iinv(5)-mea則通過fft(fastfouriertransformation)運算得到?;谏鲜鲆勋@得的參數(shù)值,由負載與互感識別單元實現(xiàn)系統(tǒng)負載與互感值的識別。
表3ipt系統(tǒng)參數(shù)
仿真驗證
在互感參數(shù)從15μh變化至45μh,負載參數(shù)從20ω變化至60ω的情況下進行了一系列仿真驗證,其結(jié)果由圖10給出。其中,識別最大誤差不超過3%,可以看出仿真結(jié)果與設定值較為吻合。
實驗驗證
為了進一步驗證該識別方法,搭建了ipt系統(tǒng)實驗平臺。逆變輸出電壓及電流的采樣由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ads7841實現(xiàn),fft運算以及識別算法在fpga(alteracycloneiiep2c5t144c8)芯片中實現(xiàn),四個mosfet(stp30nf20)開關管構(gòu)成了全橋逆變電路。系統(tǒng)的負載部分由數(shù)個電阻組成,通過切換按鈕以改變負載等效電阻值。系統(tǒng)互感參數(shù)的變化則是通過調(diào)節(jié)耦合線圈相對位置得以實現(xiàn)。
在負載等效電阻值固定為30ω,互感參數(shù)由15μh變化至45μh(實際測量值分別為15.06μh,19.87μh,24.86μh,30.56μh,35.75μh,39.78μh以及45.78μh)的情況下進行了數(shù)次實驗驗證,其識別結(jié)果示于圖11。
類似地,互感固定為31.02μh,負載由20ω變化至60ω的情況下進行了數(shù)次識別,圖12給出了識別結(jié)果。
表4進一步給出了識別結(jié)果的最大誤差值,可以看出其最大誤差不超過7%??傮w而言,仿真以及實驗的識別結(jié)果均較好地證明了該識別方法的可行性。
表4識別結(jié)果最大誤差
本申請的上述實施例中,通過提供一種副邊并聯(lián)補償?shù)膇pt系統(tǒng)負載與互感參數(shù)識別方法,針對副邊電路為并聯(lián)補償形式,能量發(fā)射端諧振網(wǎng)絡可以為串聯(lián)補償、并聯(lián)補償以及l(fā)cl補償?shù)膇pt系統(tǒng),僅需要在系統(tǒng)能量發(fā)射端檢測系統(tǒng)運行頻率、逆變器輸出電流及電壓有效值就可實現(xiàn)負載及互感參數(shù)的識別,有利于提高ipt系統(tǒng)的傳輸性能,該方法不會降低系統(tǒng)功率密度、增加系統(tǒng)的成本及控制難度。
應當指出的是,上述說明并非是對本發(fā)明的限制,本發(fā)明也并不僅限于上述舉例,本技術領域的普通技術人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換,也應屬于本發(fā)明的保護范圍。