一种双向无线电能传输系统的功率传输方法及装置

1.本发明属于无线电能传输领域，更具体地，涉及一种双向无线电能传输系统的功率传输方法。

背景技术：

2.电动汽车不仅可以作为负载，还可以作为分布式储能单元与电网互动，向电网提供电能，参与电网的能量管理和调度。能量在电网与电动汽车之间的双向流动需要双向感应式无线电能传输技术作为支撑。采用双向无线电能传输(bidirectional inductive power transfer,bipt)技术对电动汽车进行充放电有诸多好处，一是无接触式的充放电可以避免产生火花、插头松动、下雨时漏电等安全隐患；二是不占用地上面积，且维护成本较低。由于变换器和感应式线圈是埋入地下的，因此不会像地上的充电桩一样容易遭到破坏；三是与智能电网、智能微网的发展相适应，一旦电动汽车停靠在指定位置，便可以自动参与到与电网的互动中，电网的能量调度中心会依据车主的用车习惯和电网运行的实时状态等条件智能安排电动汽车的充放电计划，最终使各方都能受益。
3.对bipt系统的传输功率进行调节时，为了使其中间交流环节的传输效率最高，两侧全桥变换器的内移相角α、β需满足负载匹配条件。随着系统传输功率越来越小，α、β也越来越小，为了实现各开关器件的zvs软开关以减小开关损耗，外移相角δ也需相应减小，但δ的减小会使系统中的无功功率增多，从而降低系统的整体传输效率。因此，系统的传输功率越小，传输效率越低。
4.为了提高双向无线电能传输系统轻载时的效率，已提出了谐波功率传输方法。该方法通过调节系统两侧全桥变换器的开关频率为原本的1/n，使系统可以实现n次谐波功率传输，但该方法只能提高系统在0～1/n2额定功率范围内的效率，当系统的传输功率大于1/n2额定功率时，系统的效率不能得到优化。且在1/n2额定功率点处切换开关频率时，系统两侧激励电压的脉宽和分布都会发生跳变，切换过程不是连续、平滑的，会影响系统的安全稳定运行。

技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种双向无线电能传输系统的功率传输方法及装置，其目的在于，通过谐波功率传输的方式提高系统全功率范围内的传输效率，并且谐波次数的切换、激励电压的调制都是来连续的。
6.双向无线电能传输系统包括依次级联的源端全桥逆变电路，源端谐振补偿网络，耦合机构，负载端谐振补偿网络，负载端整流电路和滤波电路，功率传输方法包括：
7.将系统两侧激励电压的n个相邻的开关周期组合为一个调制周期，用α
t
、β
t
分别表示系统两侧各调制周期内所有电压脉波的宽度之和，α
t
、β
t
的取值范围都为[0,2nπ]。bipt系统满载运行时，总脉宽α
t
、β
t
都为2nπ，各电压脉冲半波的宽度都为π。随着系统传输功率由最大值下降到0，在调制周期内依次、不对称地调节各电压脉冲半波的宽度，使总脉宽α
t
、β
t
从
2nπ单调减小至0。
[0008]
进一步地，调节各电压脉冲半波的宽度，包括：
[0009]
在各调制周期内，同一时间只调节一个电压脉冲半波的宽度，而保持其它电压脉冲半波的宽度不变，各电压脉冲半波的调制次序需使电压脉波能够尽可能地沿时间轴均匀分布，从而减小系统两侧谐振电流的波动。调节各电压脉冲半波的宽度时，采用半波不对称调制方法，以使所有开关器件都容易实现zvs。对系统源端，只需移动各电压脉波的时间滞后边沿而使其超前边沿保持不变；对系统负载端，只需移动各电压脉波的时间超前边沿而使其滞后边沿保持不变。
[0010]
具体地，用p
max
表示系统的最大传输功率。当系统传输功率p∈((2n-1)2/(2n)2,1]p
max
时，α
t
(β
t
)∈(2n-1,2n]π，只需调节一个电压半波的脉宽，剩余电压半波的脉宽仍保持为π不变，此时，系统的功率传输可看作基波功率传输。当系统传输功率p∈((2n-1)2/(2n)2,1]p
max
时，α
t
(β
t
)∈(2n-1,2n]π，只需调节一个电压半波的脉宽，剩余电压半波的脉宽仍保持为π不变，此时，系统的功率传输可看作基波功率传输。当系统传输功率p∈((2n-2)2/(2n)2,(2n-1)2/(2n)2]p
max
时，α
t
(β
t
)∈(2n-2,2n-1]π，之前调节的电压半波的脉宽已减小为0，开始调节另一个电压半波的脉宽，其它电压半波的脉宽仍保持为π不变，此时，系统的功率传输可等效看作2n/(2n-1)次谐波功率传输。以此类推，最终，当系统传输功率p∈(0,1/(2n)2]p
max
时，α
t
(β
t
)∈(0,1]π，各调制周期内仅有一个电压半波存在，其它电压半波已被完全消去，此时，系统的功率传输可看作2n次谐波功率传输。
[0011]
在bipt系统负载端采样得到直流电流，与给定值作差后经pi控制器得到负载端各调制周期内激励电压的总脉宽β
t
，根据β
t
得到各开关周期电压的脉宽：β1、β2、β3……
βn。
[0012]
另一方面，将系统负载端直流电压u
2dc
与总脉宽β
t
通过无线通信模块发送到系统源端，根据u
2dc
、β
t
，由负载匹配条件函数可得到系统源端各调制周期内激励电压的总脉宽α
t
，α
t
可转换为α1、α2、α3……
αn，从而由pwm调制环节生成开关器件q1～q4的驱动信号。
[0013]
最终，根据系统两侧各开关器件的zvs条件，负载端的相位同步环节由α
t
、β
t
可得到外移相角δ，δ与β1、β2、β3……
βn共同进入pwm调制环节生成开关器件q5～q8的驱动信号。
[0014]
系统zvs软开关条件函数和负载匹配条件函数分别为：
[0015]
g1:
[0016]
g2:
[0017]
其中，g1和g2分别表示zvs软开关条件函数和负载匹配条件函数，u
1dc
、u
2dc
分别表示系统两侧的直流电压，φ为预设的相位裕量值，5
°
≤φ≤10
°
，u
p
、us分别为系统两侧方波激励电压在谐振频率fr下的正弦交流分量，|u
p
|、|us|分别为u
p
、us的有效值，分别为正弦量u
p
、us与系统两侧方波电压的相位差。
[0018]
进一步地，双向无线电能传输系统的功率因数角θ与传输功率p分别可表示为：
[0019]
[0020][0021]
其中，ωr为bipt系统的谐振角频率，可以表示为
[0022]
本发明还提供了一种双向无线电能传输系统的功率传输装置，包括计算机可读存储介质和处理器；
[0023]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0024]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行上述的双向无线电能传输系统的功率传输方法。
[0025]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0026]
(1)本发明通过负载匹配条件函数使bipt系统实现了负载匹配，提高了其中间交流谐振环节的传输效率；通过zvs软开关条件函数g1拓宽了bipt系统的zvs范围，减小了系统的开关损耗和电磁干扰。
[0027]
(2)本发明可以连续调制系统两侧的激励电压，并使电压脉波沿时间轴较为均匀地分布，减小了两侧谐振电流的波动。
[0028]
(3)本发明使bipt系统在极宽功率范围内都能保持很高的系统功率因数，可以实现高效谐波功率传输，并且谐波次数的变化是平滑的，最终减小了bipt系统中的无功环流损耗，提高了系统的功率因数，提升了系统的整体传输效率。
附图说明
[0029]
图1为现有的bipt系统示意图。
[0030]
图2为本发明提供的bipt系统的功率传输方法示意图。
[0031]
图3为本发明实施例提供的两侧激励电压、谐振电流波形图；其中，(a)为α
t
(β
t
)∈(5π,6π]时系统两侧电压电流的波形图，(b)为α
t
(β
t
)∈(4π,5π]时系统两侧电压电流的波形图，(c)为α
t
(β
t
)∈(3π,4π]时系统两侧电压电流的波形图，(d)为α
t
(β
t
)∈(2π,3π]时系统两侧电压电流的波形图，(e)为α
t
(β
t
)∈(π,2π]时系统两侧电压电流的波形图，(f)为α
t
(β
t
)∈(0,π]时系统两侧电压电流的波形图。
[0032]
图4为本发明实施例提供的各调制周期内激励电压脉波的其它调制次序示意图；其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别是各调制周期内激励电压脉波的不同调制次序方案。
[0033]
图5为本发明实施例提供的系统功率因数角关于系统传输功率的变化曲线。
[0034]
图6为本发明实施例提供的系统两侧电压电流实验波形图；其中，(a)为85％满载时的电压电流实验波形图、(b)为50％满载时的电压电流实验波形图、(c)为11％满载时的电压电流实验波形图。
[0035]
图7为本发明实施例提供的系统传输效率随传输功率的变化曲线。
具体实施方式
[0036]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0037]
在详细解释本发明的技术方案之前，先对bipt系统进行如下简要介绍：
[0038]
bipt系统包括主电路和控制电路，主电路如图1所示，包括依次级联的源端全桥逆变电路，源端谐振补偿网络，耦合机构，负载端谐振补偿网络，负载端整流电路和滤波电路；每个全桥变换器包括四个开关管；在图1所示的主电路中，源端谐振补偿网络、负载端谐振补偿网络为双ss形式，根据实际情况，二者也可为双lcl或双lcc的形式；控制电路包括交直流电压电流的采样调理电路、数字控制器及其外围电路、驱动电路、保护电路。
[0039]
为了解决现有的bipt系统在宽功率范围内无法一直保持高传输效率的技术问题，本发明提供了一种bipt系统的功率传输方法，其整体思路在于：通过将多个开关周期组合为一个调制周期，在各调制周期内依次、不对称地调节各电压脉冲半波的宽度，使各开关器件更容易实现zvs，同时，系统中的无功环流被有效抑制，系统功率因数显著提高，整体传输效率也获得提升。
[0040]
实施例：
[0041]
一种具有ss谐振网络的bipt系统，如图1所示，该系统包括依次级联的原边全桥变换电路，原边谐振补偿网络，弱耦合变压器，副边谐振补偿网络，副边全桥变换电路和滤波电路。其中，u
1dc
和u
2dc
为系统两侧的直流母线电压，i
1dc
和i
2dc
为系统两侧的直流电流，i
p
和is为系统两侧的谐振电流。源端的全桥变换器由mosfets q1～q4组成，副边的全桥变换器由mosfets q5～q8组成。l
p
和ls分别为系统两侧耦合线圈的自感，m为两侧耦合线圈之间的互感，c
p
和cs为两侧的谐振补偿电容，r
p
和rs为两侧谐振网络的等效损耗电阻。
[0042]
如图2所示，本实施例提供的bipt系统的功率传输方法包括：
[0043]
将系统两侧激励电压的每三个开关周期组合为一个调制周期，以调制周期为单位调制系统两侧的激励电压。此时，系统两侧调制周期内激励电压的总脉宽α
t
、β
t
的取值范围都是[0,6π]。如图3中的(a)所示，沿时间轴方向，对系统源端，各电压脉冲半波的宽度依次为α1～α6；对系统负载端，各电压脉冲半波的宽度依次为β1～β6。当系统满载运行时，α
t
、β
t
都为6π，α1～α6、β1～β6都为π。
[0044]
当系统的传输功率下降时，需要减小总脉宽α
t
、β
t
，于是，先减小脉宽α2(β2)，当α2(β2)从π减小到0后，再减小α5(β5)，α5(β5)从π减小到0后，再减小α4(β4)
……
如此依次减小脉宽角α2(β2)、α5(β5)、α4(β4)、α1(β1)、α3(β3)、α6(β6)，直到最终α6(β6)减小为0，如图3中的(a)～(f)所示，该调制次序可以确保电压脉波沿时间轴的分布始终都较为均匀，从而抑制系统两侧谐振电流的波动。
[0045]
除了上述调制次序，还有一些电压脉冲半波的调制次序如图4所示，这些调制次序也可以抑制系统两侧谐振电流的波动。
[0046]
采用不对称调制方法，当减小源端激励电压的脉宽时，各脉冲半波的左边沿静止，右边沿左移；当减小负载端激励电压的脉宽时，各脉冲半波的右边沿静止，左边沿右移，于是，系统中所有的开关器件都容易实现zvs。
[0047]
在bipt系统负载端采样得到直流电流，与给定值作差后经pi控制器得到负载端各调制周期内激励电压的总脉宽β
t
，β
t
可转换为各电压脉冲半波的宽度β1～β6。
[0048]
同时，将β
t
与系统直流输出电压u
2dc
通过无线通信模块发送到系统源端，由负载匹配条件g2可得到系统源端各调制周期内激励电压的总脉宽α
t
，α
t
可转换为各电压脉冲半波
的宽度α1～α6。
[0049]
由系统zvs条件函数g2，可推出δ的值。α1～α6经源端pwm调制环节可生成开关器件q1～q4的驱动信号，δ与β1～β6经负载端pwm调制环节可生成开关器件q5～q8的驱动信号。
[0050]
本实施例中，当α
t
(β
t
)∈(5π,6π]时，bipt系统可看作基波功率传输；当α
t
(β
t
)∈(4π,5π]时，bipt系统可看作6/5次谐波功率传输；当α
t
(β
t
)∈(3π,4π]时，bipt系统可看作3/2次谐波功率传输；当α
t
(β
t
)∈(2π,3π]时，bipt系统可看作2次谐波功率传输；当α
t
(β
t
)∈(π,2π]时，bipt系统可看作3次谐波功率传输；当α
t
(β
t
)∈(0,π]时，bipt系统可看作6次谐波功率传输。
[0051]
本实施例中，对于系统zvs条件函数g1和负载匹配条件函数g2，相位裕度φ的取值为8
°
，|u
p
|、|us|、可分别表示为：
[0052][0053][0054]
其中
[0055][0056][0057]
本实施例中，bipt系统的功率因数角θ与传输功率p可表示为：
[0058][0059][0060]
其中，ωr为bipt系统的谐振角频率，可以表示为系统功角θ与传输功率p的关系曲线如图5所示，传统三移相功率传输方法下θ与p的关系曲线亦如图5所示，这里以系统额定值为基准，对p做标幺化处理。采用传统三移相功率传输方法时，系统功角θ随传输功率p的降低不断增大，这意味着系统中的无功环流损耗将逐渐增多，系统传输效率将一直下降；而本发明可以在全功率范围内减小系统的功率因数角，从而提高系统功率因数，提升系统的传输效率。
[0061]
基于上述zvs条件函数和负载匹配条件函数，本实施例能够实现所有开关器件的zvs，且获得最大传输效率。
[0062]
以下结合实际的实验结果，对本实施例所能取得的有益效果做进一步说明。在图1所示的主电路中，各元件的参数为：l
p
＝183.25μh，ls＝180.45μh，c
p
＝19.11nf，cs＝19.424nf，m＝35.475μh，r
p
＝0.32ω，，rs＝0.32ω，系统开关频率f＝85khz，u
1dc
＝300v，u
2dc
＝300v，两侧控制器为tms320f28377型dsp。
[0063]
基于上述条件对本发明进行实验验证，不同负载条件下，bipt系统两侧的方波激励电压u1、u2和谐振电流i
p
、is波形如图6所示，bipt系统的传输效率与传输功率的关系曲线如图7所示。
[0064]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种双向无线电能传输系统的功率传输方法，所述双向无线电能传输系统包括依次级联的源端全桥逆变电路、源端谐振补偿网络、耦合机构、负载端谐振补偿网络、负载端整流电路和滤波电路，其特征在于，所述功率传输方法包括：将系统两侧激励电压的n个相邻开关周期组合为一个调制周期，以一个调制周期为单位调制系统两侧的激励电压；在各调制周期内，同一时间只不对称地调节其中一电压半波的脉宽，其它电压半波的脉宽保持不变；各电压半波的调制次序按照使激励电压沿时间轴均匀分布进行选取，其中n为大于1的整数。2.如权利要求1所述的功率传输方法，其特征在于，在系统负载端，将采样得到的直流电流与给定值作差后经pi控制器得到负载端各调制周期内激励电压的总脉宽β
t
，将β
t
转换为各调制周期内各电压半波的脉宽：β1、β2、β3…
β
2n
；在系统源端，根据β
t
与系统负载端直流电压u
2dc
由负载匹配条件函数得到系统源端各调制周期内激励电压的总脉宽α
t
，将α
t
转换为各调制周期内各电压半波的脉宽：α1、α2、α3…
α
2n
，经过pwm调制生成源端全桥逆变电路的开关器件的驱动信号；基于α
t
、β
t
，由系统两侧各开关器件的zvs软开关条件函数得到系统源端方波激励电压滞后于负载端方波激励电压的相位δ，δ与β1、β2、β3…
β
n
共同经过pwm调制生成负载端整流电路的开关器件的驱动信号。3.如权利要求2所述的功率传输方法，其特征在于，对系统源端，调节各电压半波的时间滞后边沿而使其超前边沿保持不变；对系统负载端，调节各电压半波的时间超前边沿而使其滞后边沿保持不变。4.如权利要求1所述的功率传输方法，其特征在于，所述zvs软开关条件函数g1和负载匹配条件函数g2分别为：匹配条件函数g2分别为：其中，u
1dc
、u
2dc
分别表示系统两侧的直流电压，φ为预设的相位裕量值，5
°
≤φ≤10
°
，u
p
、u
s
分别为系统两侧方波激励电压u1、u2在谐振频率f
r
下的正弦交流分量，|u
p
|、|u
s
|分别为u
p
、u
s
的有效值，分别为u
p
、u
s
与u1、u2的相位差。5.如权利要求1所述的功率传输方法，其特征在于，双向无线电能传输系统的功率因数角θ与传输功率p分别可表示为：角θ与传输功率p分别可表示为：其中，ω
r
为bipt系统的谐振角频率，可以表示为6.一种双向无线电能传输系统的功率传输装置，其特征在于，包括计算机可读存储介质和处理器；
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至5任一项所述的双向无线电能传输系统的功率传输方法。

技术总结

本发明公开了一种双向无线电能传输系统的功率传输方法及装置，属于无线电能传输领域，包括：将系统两侧激励电压的多个相邻开关周期组合为一个调制周期，以一个调制周期为单位调制系统两侧的激励电压。在各调制周期内，同一时间只不对称地调节某一电压半波的脉宽，其它电压半波的脉宽保持不变，各电压半波的调制次序需要使激励电压沿时间轴均匀分布。系统负载端各调制周期内激励电压的总脉宽β