CN111308246B - 双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，具体如下：(1)打开原边电源，关闭副边电源，控制开关S₁、S₃闭合，开关S₂、S₄断开，使系统能量由原边流向副边探测电阻；(2)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，根据这两个信号的相位差判断系统处于感性失谐状态还是容性失谐状态，记录此时U_P滞后i_C相位为θ₁；(3)关闭原边电源，打开副边电源，控制开关S₁断开，开关S₂、S₃、S₄闭合，使系统能量由副边电源流向原边探测电阻；(4)检测此时副边逆变器的输出电压信号U_S、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，记录此时U_S滞后i_C相位为θ₂；(5)结合相位θ₁、θ₂的信息，即可确定系统的失谐位置与失谐状态。

Description

双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法

技术领域

本发明涉及一种判断方法，具体涉及一种双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，属于无线电能传输技术的应用领域。

背景技术

无线电能传输技术是一种利用磁场耦合、电磁感应、电场耦合、激光、微波、超声波等介质实现电能无线传输的技术。其中，实现大功率无线传输的有电磁感应耦合方式、激光方式、微波方式、磁耦合谐振方式，激光方式和微波方式可以实现能量千米级的距离传输，而电磁感应耦合方式只能实现能量厘米级的距离传输，磁耦合谐振技术则可以实现米级范围内的能量传输，利用超声波方式和电场耦合方式目前多用于小功率(毫瓦～瓦)的传输。因此，综合考虑技术实现便利性、功率规模、传能距离等因素，磁耦合谐振技术具有更广阔的应用前景。双向无线电能传输技术在单向无线电能传输技术的基础上发展而来，在系统两侧存在对称的电源，通过对双向无线电能传输系统中的参数控制，可以改变“源”与“荷”之间的功率流向。因此，双向无线电能传输技术被广泛地应用于电动汽车并网技术、智能电子设备无线充放电技术等技术领域，有效提高系统两侧能量单元的互动性，增强能源利用率，实现对电网的“削峰填谷”，并进一步提高应用系统用电的稳定性、灵活性和安全性。在这些应用场合中，双向无线电能传输系统往往作为双向无线充放电系统存在。

在双向无线充放电系统使用过程中，元件参数可能由于线路老化问题、参数温度漂移、参数时间漂移等情况发生变化，系统谐振网络将失去谐振状态，并工作于感性或容性失谐状态下，这极大地影响了系统的工作状态，影响了系统的工作效率，且为系统双边在无通信条件下的相位同步增加困难。因此，在系统发生单侧失谐的情况下，准确判断系统的失谐状态和失谐位置是保证系统工作于优秀谐振性能下的前提，为系统后续控制环路和控制器的设计提供基础。综上所述，适用于无线充放电系统的谐振判断方法对于系统稳定性、可控性的保证具有重要意义，对此项技术在各项应用中的推广具有实际意义。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，其引入了一种新的谐振判断电路，根据电路中探测电阻电流与双侧逆变器的输出电压之间的相位差组合，即可判断系统的失谐状态与失谐位置，为后续系统的谐振补偿提供准确指导。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，所述系统包括电路结构完全相同的两个部分，分别为原边系统和副边系统，两个系统的变换器出口端均并联由采样电阻和控制开关串联的探测支路，并包含谐振补偿网络、直流电源和高频逆变器等结构；谐振判断方法为控制两侧电源与探测支路对称通断，通过比较流过副边探测电阻的电流与对应侧电源的相位差，即可确定系统的失谐位置与失谐状态，具体包括如下步骤：

(1)打开原边电源，关闭副边电源，控制开关S₁、S₃闭合，开关S₂、S₄断开，使系统能量由原边电源流向副边探测电阻。

(2)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，根据这两个信号的相位差判断系统处于感性失谐状态还是容性失谐状态。记录此时U_P滞后i_C相位为θ₁。当θ₁大于90°时，系统处于容性失谐状态；当θ₁小于90°时，系统处于感性性失谐状态；由此可确定系统失谐状态。

(3)关闭原边电源，打开副边电源，控制开关S₁断开，开关S₂、S₃、S₄闭合，使系统能量由副边电源流向原边探测电阻。

(4)检测此时副边逆变器的输出电压信号U_S、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，记录此时U_S与i_C之间的相位信息并记此时U_S滞后i_C相位为θ₂。

(5)结合相位θ₁、θ₂的信息，确定系统的失谐位置与失谐状态：当θ₁大于90°且θ₂大于0°时，系统为原边容性失谐；当θ₁大于90°且θ₂小于0°时，系统为副边容性失谐；当θ₁小于90°且θ₂大于0°时，系统为副边感性失谐；当θ₁小于90°且θ₂小于0°时，系统为原边感性失谐。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，本发明简单易行，只需利用双向无线充放电系统的双源特性，对系统两侧电源与对侧的探测电阻进行对称通断控制，通过检测相应的电源侧逆变电路输出电压与探测电流之间的相位差，即可唯一确定系统的失谐状态与失谐位置。本发明不需要引入额外的探测线圈，仅需在原回路中引入并联探测电阻支路即可实现对系统的谐振判断，且仅需对流经固定探测电阻的电流进行相位检测即可。本发明不会增加电路的阶数及控制复杂度，且在判谐完成后即可切断两条探测支路，不会对系统本身功率传输过程造成额外的功率损耗。本发明中额外引入的探测电阻支路在集成电路中往往占用体积小，基本不会影响原系统的原有体积。另外，由于双向无线充放电系统一般不会发生双侧均失谐的情况，因此本发明可以灵活应用于各种能量单元充放电应用中，进一步保证系统的谐振性能，改善系统控制的稳定性和安全性。

附图说明

图1是应用于双向无线充放电系统传输系统的谐振判断电路结构原理图；

图2是包含判谐电路的电动汽车双向无线充放电系统等效电路图；

图3是对谐振判断电路中开关器件的控制过程流程图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，所述系统包括电路结构完全相同的两个部分，分别为原边系统和副边系统，两个系统的变换器出口端均并联由采样电阻和控制开关串联的探测支路，并包含谐振补偿网络、直流电源和高频逆变器等结构；谐振判断方法为控制两侧电源与探测支路对称通断，通过比较流过副边探测电阻的电流与对应侧电源的相位差，即可确定系统的失谐位置与失谐状态，具体包括如下步骤：

(1)打开原边电源，关闭副边电源，控制开关S₁、S₃闭合，开关S₂、S₄断开，使系统能量由原边流向副边探测电阻。

(2)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，根据这两个信号的相位差判断系统处于感性失谐状态还是容性失谐状态。记录此时U_P滞后i_C相位为θ₁。当θ₁大于90°时，系统处于容性失谐状态；当θ₁小于90°时，系统处于感性性失谐状态；由此可确定系统失谐状态。

(3)关闭原边电源，打开副边电源，控制开关S₁断开，开关S₂、S₃、S₄闭合，使系统能量由副边电源流向原边探测电阻。

(4)检测此时副边逆变器的输出电压信号U_S、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，记录此时U_S与i_C之间的相位信息并记此时U_S滞后i_C相位为θ₂。

(5)结合相位θ₁、θ₂的信息，确定系统的失谐位置与失谐状态：当θ₁大于90°且θ₂大于0°时，系统为原边容性失谐；当θ₁大于90°且θ₂小于0°时，系统为副边容性失谐；当θ₁小于90°且θ₂大于0°时，系统为副边感性失谐；当θ₁小于90°且θ₂小于0°时，系统为原边感性失谐。

应用实施例：一种双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，所述系统包括电路结构完全相同的两个部分，分别为原边系统和副边系统，两个系统的变换器出口端均并联由采样电阻和控制开关串联的探测支路，并包含谐振补偿网络、直流电源和高频逆变器等结构；双向无线充放电系统一般采用对称补偿网络，在少数采用不对称补偿网络的情形下也可将两侧补偿网络等效为采用SS补偿方式的双向无线充放电系统结构。其系统结构图如图1所示。

图中系统主要包括双向无线充放电系统的原边、副边能量传输系统，对称探测电路以及对应的原边、副边控制器。在能量传输系统中，U1、U2分别为系统两侧的直流电源，由开关S1、S4控制通断；S11-D11～S14-D14组成原边电能逆变电路，由受驱动电源供电的原边控制器提供控制信号；S21-D21～S24-D24组成副边电能逆变电路，同样由受驱动电源供电的副边控制器提供控制信号；开关S2、R1组成原边探测电路，电路通断由开关S2控制，并联在原边逆变电路的输出端之间；开关S3、RC组成原副边探测电路，电路通断由开关S3控制，并联在副边逆变电路的输出端之间；电容C_P，电感L_P组成原边等效SS谐振电路；电容C_S，电感L_S组成副边等效SS谐振电路；以上电路中，开关S1～S4的控制信号由控制电路提供。

在系统只有单侧发生失谐的情况下，谐振判断方法为控制两侧电源与探测支路对称通断，通过比较流过副边探测电阻的电流与对应侧电源的相位差，即可确定系统的失谐位置与失谐状态，具体包括如下步骤：

(1)打开原边电源，关闭副边电源，控制开关S₁、S₃闭合，开关S₂、S₄断开，使系统能量由原边流向副边探测电阻。根据包含判谐电路的双向无线充放电系统等效电路图，如图2所示，此时逆变电路输出电压为U_P，逆变电路等效电阻为R₁，设计原边判谐电路判谐电阻取值与R₁相同。则此时流经探测电阻电流i_C表达式为：

(2)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，根据这两个信号的相位差判断系统处于感性失谐状态还是容性失谐状态。记录此时U_P滞后i_C相位为θ₁。在系统正常谐振状态下，流经探测电阻电流i_C表达式为：

因此，在系统谐振情形下θ₁为90°。当谐振电容C_P、C_S小于谐振值时，系统将呈现容性失谐状态，此时θ₁大于90°；谐振电容C_P、C_S大于谐振值时，系统将呈现感性失谐状态，此时θ₁小于90°。

(3)关闭原边电源，打开副边电源，控制开关S₁断开，开关S₂、S₃、S₄闭合，使系统能量由副边电源流向原边探测电阻。此时流经探测电阻电流i_C表达式为：

(4)检测此时副边逆变器的输出电压信号U_S、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，记录记录此时U_S滞后i_C相位为θ₂。当系统处于谐振状态时，流经探测电阻电流i_C表达式为：

因此，在谐振状态下，θ₂应为0°。当系统谐振状态发生偏移时，θ₂将发生偏移。

(5)结合相位θ₁、θ₂的信息，确定系统的失谐位置与失谐状态：当θ₁大于90°且θ₂大于0°时，系统为原边容性失谐；当θ₁大于90°且θ₂小于0°时，系统为副边容性失谐；当θ₁小于90°且θ₂大于0°时，系统为副边感性失谐；当θ₁小于90°且θ₂小于0°时，系统为原边感性失谐。

采用上述方案后，只需对系统两侧电源与对侧的探测电阻进行对称通断控制，通过检测相应的电源侧逆变电路输出电压与探测电流之间的相位差，即可唯一确定系统的失谐状态与失谐位置。系统中不需要引入额外探测线圈，仅需在原回路中引入并联探测电阻支路即可实现对系统的谐振判断，且在判谐完成后即可切断两条探测支路，对系统正常工作不会产生任何影响。由于双向无线充放电系统一般不会发生双侧均失谐的情况，因此此判谐机构还可以灵活应用于各种能量单元充放电应用中，进一步保证系统的谐振性能，改善系统控制的稳定性和安全性。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

系统包括电路结构完全相同的两个部分，分别为原边系统和副边系统，两个系统的变换器出口端均并联由采样电阻和控制开关串联的探测支路，并包含谐振补偿网络、直流电源和高频逆变器等结构；在系统只有单侧发生失谐的情况下，谐振判断方法为控制两侧电源与探测支路对称通断，通过比较流过副边探测电阻的电流与对应侧电源的相位差，即可确定系统的失谐位置与失谐状态，具体包括如下步骤：

(1)打开原边电源，关闭副边电源，控制开关S₁、S₃闭合，开关S₂、S₄断开，使系统能量由原边流向副边探测电阻；

(2)检测此时原边逆变器的输出电压信号U_P、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，记录此时U_P滞后i_C相位为θ₁，根据这两个信号的相位差判断系统处于感性失谐状态还是容性失谐状态；

(3)关闭原边电源，打开副边电源，控制开关S₁断开，开关S₂、S₃、S₄闭合，使系统能量由副边电源流向原边探测电阻；

(4)检测此时副边逆变器的输出电压信号U_S、流过探测电阻R_c的电流信号i_C，记录此时U_S滞后i_C相位为θ₂；

(5)结合相位θ₁、θ₂的信息，即可确定系统的失谐位置与失谐状态。

2.根据权利要求1所述的双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，当θ₁大于90°时，系统处于容性失谐状态；当θ₁小于90°时，系统处于感性失谐状态；由此可确定系统失谐状态。

3.根据权利要求2所述的双向无线充放电系统对称判谐电路设计与双边谐振判断方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，当θ₁大于90°且θ₂大于0°时，系统为原边容性失谐；当θ₁大于90°且θ₂小于0°时，系统为副边容性失谐；当θ₁小于90°且θ₂大于0°时，系统为副边感性失谐；当θ₁小于90°且θ₂小于0°时，系统为原边感性失谐。

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