一种串联补偿双有源无线电能传输系统的控制方法与流程

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种串联补偿双有源无线电能传输系统的控制方法。

背景技术：
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现有的串联补偿双有源无线电能传输系统由原边全桥变换器、发射侧线圈及其补偿电容，副边全桥变换器、接受侧线圈及其补偿电容构成，其拓扑结构如图1所示。串联补偿双有源无线电能传输系统，由于双边具有有源特性，可以主动调整接受侧输出电压，适应大负载变化范围应用场合，效率高。由于具有完全对称的特性，因此能够实现能量的双向传递。

串联补偿双有源无线电能传输系统控制方法方面，目前最简单的是纯移相调制策略。该控制方法只有一个控制量，两侧全桥变换器工作在50％固定占空比状态，通过控制两个全桥变换器的移相角改变移相角的大小和正负，可以控制传输功率的大小和方向。这个控制方法实现简单，但是由于两个全桥变换器工作在固定占空比，移相角的引入引起大量的无功电流，因此损耗巨大，系统效率低。

串联补偿双有源无线电能传输系统的另一种控制方法是双PWM控制方式。即两个全桥变换器都采用PWM控制，控制两个变换器的输出电压，为了优化效率维持两个全桥变换器移相角为90度固定值。这种控制方法由于没有无功电流的引入，系统效率高。但是由于两个全桥变换器都采用PWM控制，全桥变换器都是工作在硬开关状态，开关损耗大；PWM控制中占空比的调整需要通信系统的引入，增加系统成本。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种串联补偿双有源无线电能传输系统的控制方法，该控制方法原边副边两个全桥变换器都采用固定频率下的PLL控制与PWM控制相结合的控制方法，无需通信装置条件下，实现输出电压的稳定，能量的双向传输，使得两个全桥变换器都工作在软开关状态下，提高系统效率。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种串联补偿双有源无线电能传输系统的控制方法，包括以下步骤：

1)副边采样电路分别采集直流侧输出电压V_o的幅值，以及交流侧输出电流i₂的相位送入副边控制器；

2)将步骤1)中采集到的直流侧输出电压V_o与直流侧输出参考值Voref做差比较，其差值经过PI调节器整定，得到副边全桥变换器占空比D2；

3)将步骤2)得到的副边全桥变换器占空比D₂经过交流侧输出电流i₂的相位过零点作为时间基准，副边控制器采用PLL控制与PWM控制相结合的工作方式，副边控制器计算出副边全桥变换器驱动信号时序，经驱动电路，驱动相应副边全桥变换器开关器件；

4)原边采样电路分别采集直流侧输入电压Vin的幅值，以及交流侧输入电流i1的相位送入原边控制器；

5)将步骤4)中采集到交流侧输入电流i₁的相位过零点作为时间基准，原边控制器调整原边全桥变换器的占空比D₁，输出原边全桥变换器驱动信号时序，经驱动电路，驱动相应原边全桥变换器开关器件，原边控制器采用PLL控制与PWM控制相结合的工作方式，使得原边开关管开通时，交流侧输入电流i₁的相位过零。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，以交流侧输出电流i₂在相位过零作为计时起点，副边控制器控制副边全桥变换器的相位延迟，在相位延迟时间段，使得i₂被短路，从而实现副边全桥变换器占空比D₂的调整，控制直流侧输出电压V_o稳定。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，交流侧输出电流i₂在相位延迟时间结束后，副边控制器控制副边全桥变换器开关管关断，交流侧输出电流i₂通过副边全桥变换器二极管续流，交流侧输出电流i₂过零时自然关断，实现副边全桥变换器的ZCS软开关。

本发明进一步的改进在于，步骤5)中，通过采样检测到交流侧输入电流i₁的相位，原边控制器不断调整原边全桥变换器的占空比D₁，实现原边全桥变换器开关管开通时交流侧输入电流i₁恰好过零，原边控制器计算出原边全桥变换器驱动信号时序，经驱动电路，驱动相应原边全桥变换器开关器件，实现原边全桥变换器开关管的ZVS软开关。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明进一步的改进在于，采用固定频率下的PLL控制与PWM控制相结合的控制方法，输出电压的稳定的同时，实现了两侧全桥变换器工作在软开关状态下，提高系统效率。

进一步地，本发明通过采样谐振电流实现控制，控制系统无需通信装置，节约了成本，增加了系统的可靠性。

进一步地，本发明由于副边整流器采用有源全桥变换器，原边副边的控制结构完全相同，能够实现能量的双向传递。

进一步地，原边控制器和副边控制器都采用PLL控制与PWM控制相结合的工作方式，两侧变换器单独定频控制，通过电流相位检测，实现输出电压稳定，两边同时实现软开关

附图说明：

图1为串联补偿双有源无线电能传输系统；

图2为串联补偿双有源无线电能传输系统的控制方法结构框图；

图3为串联补偿双有源无线电能传输系统的运行波形图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，串联补偿双有源无线电能传输系统，包括原边电路和副边电路组成。其中原边电路包括：有开关管S₁～S₄构成原边全桥变换器、原边采样电路、原边控制器和原边驱动电路。其中副边电路包括：由S₅～S₈构成的副边全桥变换器、副边采样电路、副边控制器和副边驱动电路。

串联补偿双有源无线电能传输系统的控制方法结构框图，如图2所示。

首先，副边采样电路分别采集直流侧输出电压V_o的幅值，以及交流侧输出电流i₂的相位送入副边控制器；将采集到的直流侧输出电压V_o与直流侧输出参考值Voref做差比较，其差值经过PI调节器整定，得到副边全桥变换器占空比D₂。

然后，以交流侧输出电流i₂的相位过零点作为时间基准，交流侧输出电流i₂在相位过零后，副边控制器控制副边全桥变换器开关管S₆和S₈导通，使得i₂被短路(1-D₂)*T时间，其中T为开关周期。交流侧输出电流i₂在相位过零(1-D₂)*T时间后，副边控制器控制副边全桥变换器开关管S₆和S₈的关断时，交流侧输出电流i₂通过副边全桥变换器二极管D₅和D₇续流，从而实现副边全桥变换器占空比D₂的调整，控制直流侧输出电压V_o稳定。副边控制器采用PLL控制与PWM控制相结合的工作方式，副边控制器计算出副边全桥变换器驱动信号时序，经驱动电路，驱动相应副边全桥变换器开关器件；

最后，原边采样电路分别采集直流侧输入电压Vin的幅值，以及交流侧输入电流i₁的相位送入原边控制器，将采集到交流侧输入电流i₁的相位过零点作为时间基准，原边控制器调整原边全桥变换器的占空比D₁，通过采样检测到交流侧输入电流i₁的相位，原边控制器不断调整原边全桥变换器的占空比D₁，实现原边全桥变换器开关管开通时交流侧输入电流i₁恰好过零。原边控制器采用PLL控制与PWM控制相结合的工作方式，计算出原边全桥变换器驱动信号时序，经驱动电路，驱动相应原边全桥变换器开关器件，实现原边全桥变换器开关管的ZVS软开关。

该控制策略下，串联补偿双有源无线电能传输系统的运行波形图如图3所示。在无需通信设备的条件下，控制输出电压的稳定的同时，实现了两侧全桥变换器工作在软开关状态下，提高系统效率。