一种降低无线充电系统电应力的设计方法与流程

本发明涉及一种无线充电系统的设计方法，特别涉及一种降低无线充电系统电应力的设计方法。
背景技术：
：无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)的概念最早是由美国科学家特斯拉提出的。2007年，麻省理工学院的研究者提出了磁谐振式无线电能传输的新方法。随后，这项技术受到了越来越多的关注，并在嵌入式医疗、手机以及电动汽车充电等领域得到了广泛应用。然而在实际应用中，无线充电系统中存在着较大的无功功率，使得无线能量传输线圈、逆变器等设备承受着较大的电压、电流应力。为了应对这种电应力，就需要选取高耐压、大电流的器件，进而带来了系统成本的增加。同时，较大的电应力也会对系统的安全稳定运行造成不利影响。专利CN103746462A“一种用于无线电能传输的双边LCC补偿网络及其调谐方法”提出了一种补偿网络结构，并给出了设计方法。但其只针对系统性能指标进行设计，而并未考虑电应力及其对系统性能和稳定性的影响。专利CN104753152A“恒流-恒压复合拓扑的感应式充电系统”，采用零电压开关技术提高变换器效率，同时减少无功功率，降低了器件应力。但其未考虑系统中无功功率最大的无线能量传输线圈处的电压、电流应力。因此，需要一种在实现系统性能目标的基础上，确定最优补偿网络参数，以降低系统电应力的具体设计方法。技术实现要素：本发明的目的是克服当前无线充电系统电应力较大的问题，提出一种降低无线充电系统电应力的设计方法。本发明可为无线充电系统结构和参数的设计提供依据，进而提高无线充电系统的安全性和稳定性，并实现系统性能指标和电应力指标的全面优化、提高设计效率。应用本发明设计方法的无线充电系统包括系统电源、逆变器、原边补偿网络、无线能量传输线圈、副边补偿网络、整流器，以及系统负载。系统电源为整个无线充电系统提供电能，逆变器的输入端与系统电源相连，将系统电源提供的电能转化为高频交流电；逆变器的输出端与原边补偿网络相连，高频交流电经过原边补偿网络处理后输送给无线能量传输线圈；无线能量传输线圈以空间电磁场的方式实现电能的无线传输；副边补偿网络的输入端与无线能量传输线圈相连，对无线能量传输线圈接收到的电能进行处理；整流器的输入端与副边补偿网络相连，将副边补偿网络处理后的高频交流电转化为直流电，最终为与整流器输出端连接的系统负载供电；上述部件之间通过电缆连接。本发明降低无线充电系统电应力的设计方法通过计算求得原边补偿网络和副边补偿网络的参数值，并根据实际系统测试对所求得的补偿网络参数进一步优化，以降低无线充电系统的电应力。本发明包含以下步骤：步骤A、建立包含系统电源、逆变器、原边补偿网络、无线能量传输线圈、副边补偿网络、整流器和系统负载的无线充电系统模型；步骤B、根据实际需求，确定系统性能指标的目标函数；步骤C、在保证性能指标的前提下，确定系统电应力最小化的目标函数；步骤D、利用无线充电系统模型和目标函数，求解使无线充电系统电应力最小的补偿网络参数；步骤E、在实际系统中测试计算得到的补偿网络参数，并根据测试结果对补偿网络参数进行优化。所述步骤A的无线充电系统模型建立过程中，对所述的系统电源、系统负载、逆变器和整流器的描述有两种方式：一种是选取特征变量，利用状态空间平均法建立逆变器和整流器的状态空间模型，并基于拓扑结构建立线圈和补偿网络的状态空间模型，进而得到系统模型；另一种方法则将所述的系统电源和逆变器综合考虑作为无线充电系统模型的源，并将所述的整流器和系统负载综合考虑作为无线充电系统模型的负载。所述步骤A的无线充电系统模型建立过程中，以集总参数表示无线能量传输线圈、原边和副边补偿网络，具体描述方法如下：无线能量传输线圈的自电感与线圈的杂散电阻串联，而线圈之间的感性耦合作用则等效表示为与线圈之间的互电感；在原边和副边补偿网络中，电感的杂散电阻与电感串联，电容的杂散电阻与电容串联，而电感和电容之间的连接方式则取决于补偿网络的拓扑结构。由此，所述的建模过程全面考虑了无线充电系统中的各种变量和杂散参数，具有很高的精度。所述步骤A的无线充电系统模型建立过程中，模型参数的值通过实际测量得到，测量手段包括：采用示波器测量电源电压；采用阻抗分析仪测量系统负载、以及无线能量传输线圈的阻抗。实际测量得到的模型参数使得所述的无线充电系统模型能够表示不规则线圈形状、线圈间距离偏差等实际因素带来的影响，进而在复杂实际环境下具有良好的适用性。所述步骤B中系统性能指标包括系统工作的额定输出功率、系统的传输效率、保证软开关所需的逆变器负载阻抗、系统的偏移容忍度等；其中，保证软开关所需的逆变器负载阻抗是指：通过设计补偿网络参数，使逆变器的负载呈一定程度的感性，以保证逆变器各电力电子器件能够更好地工作在软开关状态。所述步骤B中系统性能指标目标函数的确定过程如下：首先根据需要充电的电池类型和电池组容量确定充电电流；再根据充电电流和电池组电压确定额定充电功率，即无线充电系统的额定输出功率，并利用额定输出功率制定适当的充电效率目标；一般大功率的无线充电系统效率较高，能达到90％以上，而小功率系统的效率偏低；然后根据额定输出功率设计逆变器，得到保证软开关所需的负载电感值；最后根据额定输出功率设计无线能量传输线圈，得到线圈的尺寸，并根据尺寸确定线圈的偏移距离，用以表示系统的偏移容忍度。所述步骤C中，制定系统电应力最小化目标函数的前提是保证系统输出功率、传输效率、软开关、以及偏移容忍度等性能指标达到要求。所述步骤C中系统电应力最小化目标函数的确定过程如下：首先利用无线充电系统模型，计算得到系统性能指标最优时的无线能量传输线圈、逆变器和整流器的电压、电流应力；再考虑绕制线圈的导线，以及逆变器和整流器的电力电子器件本身的耐压和过电流能力；然后对上述两者进行综合比较，选择其中较小的电压电流值作为电应力的目标上限；最后根据电应力目标上限，利用不等式关系得到电应力最小化目标函数。所述步骤C中，系统电应力最小化的目标函数包括：无线能量传输线圈电压和电流应力的目标函数、逆变器电力电子器件电压和电流应力的目标函数、以及整流器电力电子器件电压和电流的目标函数。所述步骤C中，在保证性能指标的前提下再确定系统电应力最小化的目标函数，这就使得本发明所述的设计方法能够在达到输出功率、传输效率、软开关、偏移容忍度等基础设计要求的基础上，进一步减小了无线能量传输线圈、逆变器和整流器的电压、电流应力，实现了对系统性能指标和电应力最小化目标的全面优化。所述步骤D中，补偿网络参数的求解过程如下：首先根据无线充电系统模型列出系统各参数之间的函数关系；然后求得系统输出功率、传输效率等性能指标与补偿网络参数的函数关系，进而得到无线能量传输线圈电压、电流等电应力指标与补偿网络参数的函数关系；再根据设计要求确立待求解的补偿网络参数方程组；最后将性能指标目标函数和电应力最小化目标函数作为约束条件，利用非线性方程求解方法求解补偿网络参数方程组，得到补偿网络的参数值。所述步骤D中补偿网络参数方程组的求解过程中，系统性能指标目标函数为强约束条件，而电应力最小化目标函数为弱约束条件；即求解过程应优先满足性能指标约束条件，然后在此基础上实现电应力的最小化。所述步骤D中的非线性方程求解方法可采用二分法、迭代法、牛顿法、割线法、延拓法、最速下降法等方法。所述步骤E中的补偿网络参数优化过程如下：首先根据计算得到的补偿网络参数值搭建实际系统；然后测量实际系统的输出功率、传输效率等性能指标，以及无线能量传输线圈、逆变器、整流器的电压、电流应力；再基于测量结果对补偿网络的参数值进行调整；最后得到满足性能指标要求，并且电应力最小的无线充电系统。所述步骤E中，基于测量结果对补偿网络的参数值进行调整的具体方法如下：首先根据无线充电系统模型和实际系统，明确系统性能指标和电应力指标随补偿网络参数的变化关系；再确定补偿网络中各参数之间的耦合关系；然后针对测量结果，利用补偿网络中各参数之间的耦合关系，以及系统性能指标和电应力指标随补偿网络参数的变化关系，对一个或多个补偿网络参数的值进行小幅调整，以使实际系统满足性能指标和电应力最小化的要求；最后在实际系统中对补偿网络参数值的调整结果进行验证，如果满足要求，将调整后的值确定为最终值；如果尚未满足要求，则继续调整。所述步骤E中，实际系统的输出功率、传输效率等性能指标采用功率分析仪进行测量；无线能量传输线圈、逆变器、整流器的电压、电流应力采用示波器或者万用表进行测量。所述步骤E中，实际测试优化过程中只需对计算得到的补偿网络参数值进行小幅调整即可满足性能指标和电应力最小化的设计要求；而补偿网络参数值的计算过程则可以通过编写程序模块化实现，这就大大简化了设计流程，提高了设计效率。本发明具有以下优点和有益效果：1、建立在高精度无线充电系统模型的基础上，具有良好的复杂环境适应性；2、保证系统性能指标的同时，实现电应力的最小化，达到系统的全面优化；3、实现方式简单，提高了设计效率。附图说明图1为本发明降低无线充电系统电应力设计方法的流程图；图2为应用本发明的无线充电系统的结构示意图；图3为本发明实施例中建立的四线圈结构无线充电系统模型。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应用本发明设计方法的无线充电系统的结构如图2所示。所述的无线充电系统包括系统电源201、逆变器202、原边补偿网络203、无线能量传输线圈204、副边补偿网络205、整流器206、以及系统负载207。系统电源201为整个无线充电系统提供电能，逆变器202的输入端与系统电源201相连，将系统电源提供的电能转化为高频交流电；逆变器202的输出端与原边补偿网络203相连，高频交流电经过原边补偿网络203处理后输送给无线能量传输线圈204；无线能量传输线圈204以空间电磁场的方式实现电能的无线传输；副边补偿网络205的输入端与无线能量传输线圈204相连，对无线能量传输线圈204接收到的电能进行处理；整流器206的输入端与副边补偿网络205相连，将副边补偿网络205处理后的高频交流电转化为直流电，最终为与整流器206输出端连接的系统负载207供电；上述部件之间通过电缆连接。以下通过具体实施例进一步说明本发明。本实施例中，针对一种四线圈结构、采用串联电容进行补偿的电动汽车无线充电系统，采用本发明的设计方法，通过设计其串联补偿电容的值来降低系统的电应力，具体步骤如下：步骤A、建立包含系统电源、逆变器、原边补偿网络、无线能量传输线圈、副边补偿网络、整流器和系统负载的无线充电系统模型。将系统电源和逆变器综合考虑作为无线充电系统模型的源US；并将整流器和系统负载综合考虑作为无线充电系统模型的负载ZL。无线能量传输线圈、原边和副边补偿网络的建模过程中考虑四个线圈的自电感L1、L2、L3、L4，互电感M12、M13、M14、M23、M24、M34，杂散电阻R1、R2、R3、R4，以及四个线圈的串联补偿电容C1、C2、C3、C4。进而得到四线圈结构、采用串联电容进行补偿的无线充电系统的模型，如图3所示。其中，模型的源US、第一线圈的自电感L1、第一线圈的串联补偿电容C1和第一线圈回路中的杂散电阻R1串联构成第一线圈回路；第二线圈的自电感L2、第二线圈的串联补偿电容C2和第二线圈回路中的杂散电阻R2串联构成第二线圈回路；第三线圈的自电感L3、第三线圈的串联补偿电容C3和第三线圈回路中的杂散电阻R3串联构成第三线圈回路；模型的负载ZL、第四线圈自电感L4、第四线圈的串联补偿电容C4和第四线圈回路中的杂散电阻R4串联构成第四线圈回路；互电感M12、M13、M14、M23、M24、M34用以表示线圈之间的感性耦合作用。在上述模型的基础上，采用示波器测量电源电压，采用阻抗分析仪测量负载和无线能量传输线圈的阻抗，以得到模型中各参数的值。步骤B、根据实际需求，确定系统性能指标的目标函数。根据电动汽车充电的实际需求，确定无线充电系统的额定输出功率Po为3.3kW。对于千瓦级的电动汽车无线充电系统，其目标效率传输效率η应在90％以上。然后根据额定输出功率得出系统保证软开关所需的逆变器负载电感Lsoft、系统偏移容忍度dmis的目标函数。综上，能够得到系统性能的目标函数如公式(1)所示：Po＝3300,η＝90％,Lsoft＝20,dmis＝10。(1)其中，Po为系统额定输出功率，单位为W；η为系统传输效率；Lsoft为保证软开关所需的逆变器负载电感，单位为uH；dmis为系统的偏移容忍度，单位为cm。步骤C、在保证性能指标的前提下，确定系统电应力最小化的目标函数。在保证系统输出功率、传输效率、软开关、以及偏移容忍度等性能指标达到要求的前提下，综合考虑系统性能指标最优时的无线能量传输线圈、逆变器和整流器的电压、电流应力，以及绕制线圈的导线、逆变器和整流器的电力电子器件本身的耐压和过电流能力，制定系统电应力最小化的目标函数，具体包括：无线能量传输线圈电压、电流应力的目标函数Ucoil和Icoil，逆变器电力电子器件电压、电流应力的目标函数Uinv和Iinv，以及整流器电力电子器件电压、电流的目标函数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分别为无线能量传输线圈、逆变器和整流器的电压应力有效值目标函数，单位为V；Icoil、Iinv和Irec分别为无线能量传输线圈、逆变器和整流器的电流应力有效值目标函数，单位为A。步骤D、利用无线充电系统模型和目标函数，求解使无线充电系统电应力最小的补偿网络参数。首先根据图3所示的无线充电系统模型，列出无线充电系统各参数之间的函数关系，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＝j2πfMmn,m,n＝1,2,3,4andm≠n.其中，f为系统工作频率，US为模型的源电压，ZL为模型的负载阻抗；I1、I2、I3、I4分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈中的电流，L1、L2、L3、L4分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈的自电感，R1、R2、R3、R4分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈回路中的杂散电阻，C1、C2、C3、C4分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈的串联补偿电容；Mmn为无线能量传输线圈第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈两两之间的互电感值；Z11、Z22、Z33、Z44分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈回路的自阻抗；Zmn为无线能量传输线圈第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈两两之间的互阻抗值；然后求得系统输出功率、传输效率等性能指标与串联补偿电容C1、C2、C3、C4的函数关系，进而得到无线能量传输线圈电压、电流等电应力指标与串联补偿电容C1、C2、C3、C4的函数关系；再根据设计要求确立待求解的补偿电容方程组；最后将性能指标目标函数和电应力最小化目标函数作为约束条件，利用二分法、迭代法、牛顿法、割线法等非线性方程求解方法求解补偿电容方程组，得到补偿电容C1、C2、C3、C4的参数值。步骤E、在实际系统中测试计算得到的补偿网络参数，并根据测试结果对补偿网络参数进行优化。首先通过编写程序模块化实现补偿电容C1、C2、C3、C4参数值的计算，并根据计算结果搭建实际系统；然后用功率分析仪测量实际系统的输出功率、传输效率等性能指标，并用示波器或者万用表测量无线能量传输线圈、逆变器、整流器的电压、电流应力；再利用补偿电容C1、C2、C3、C4之间的耦合关系，以及系统性能指标和电应力指标随补偿电容C1、C2、C3、C4的变化关系，对一个或多个补偿电容的参数值进行小幅调整，并在实际系统中对补偿电容参数值的调整结果进行验证；最后得到满足性能指标要求，并且电应力最小的无线充电系统。当前第1页1 2 3