一种基于最优频率跟踪控制方法的WPT电池充电器

本发明属于电动汽车无线电能传输领域领域，尤其是涉及一种基于最优频率跟踪控制方法的wpt电池充电器。

背景技术：

1、为了提高电动汽车充电的可靠性和高效性，许多研究探索了无线电能传输(wpt)充电器，典型的无线电力传输充电器在开启前，发射端和接收端之间通常需要进行信息通信，可根据充电状态的阈值电压实现恒流输出。

2、但这些典型的通信方式并没有考虑由于线圈间隙距离和线圈偏移距离的变化，互感和谐振频率发生变化的情况，特别是铁氧体磁芯或铝屏蔽版的磁耦合器，在非谐振频率下工作时，cc输出和zvs效果变差，系统效率会降低。

3、现有技术中在wpt对电池负载进行充电时，充电位置是任意的，在每个位置下的充电效果都是不同的，如果系统工作频率被视为一个固定值，那么充电时的cc输出和最优效率点将只有一个，目前提出的一个用于充电模式控制的通信方式，可根据充电状态的恒定电压(cv)门限以实现cc输出，这种通信方式不需要任何额外的电池管理和额外的直流-直流调节器，但由于没有考虑由于线圈间隙距离和偏移距离的变化，互感和系统谐振频率可能发生变化的情况，无法同时满足cc输出、最优传输效率和zvs，进而使wpt系统的cc输出、zvs、系统效率效果变差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种基于最优频率跟踪控制方法的wpt电池充电器，以期解决上述部分技术问题中的至少之一。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、本发明第一方面提供了一种最优频率跟踪控制方法，包括：

4、建立带有二级有源整流器的s-s补偿wpt转换器拓扑结构模型，并确定拓扑结构模型的输入阻抗表达式；

5、推导输入阻抗角与工作频率的关系表达式，并通过检测输入阻抗角进行频率跟踪控制；

6、使用相位差检测电路检测线圈间隙距离改变时的相位差；

7、在dsp微控制器上构建频率跟踪控制算法，跟踪得到最优频率。

8、进一步的，二级有源整流器的s-s补偿wpt转换器拓扑结构模型包含如下参数：

9、磁耦合器的自感、等效寄生电阻、互感、耦合系数；

10、s-s补偿电容器的一次侧和二次侧分别由逆变器和有源整流器驱动；

11、根据二级有源整流器的s-s补偿wpt转换器拓扑结构模型中的参数，计算得到工作角频率。

12、进一步的，确定拓扑结构模型的输入阻抗表达式的过程包括：

13、设置对角线上的mosfet以50％的占空比同时导通和关断，同一侧的mosfet互补导通，将二次侧有源整流器作为无源整流器工作，从而得到一次侧逆变器后的总输入阻抗。

14、进一步的，推导输入阻抗角与工作频率的关系表达式的过程包括：

15、根据电路中工作角频率与等效寄生电阻的关系，计算得到一次侧逆变器后的总输入阻抗，根据总输入抗阻计算得到输入阻抗角，最终得到输入阻抗角与工作频率的关系表达式。

16、进一步的，使用相位差检测电路检测线圈间隙距离改变时的相位差的过程包括：

17、使用高频电流互感器采集电流，将采样信号送入采样调整电路，将输出信号送入精密比较器，并执行过零检测；

18、将精密比较器的输出信号和控制信号送入异或逻辑运算器；

19、将异或逻辑运算器的输出信号的脉冲宽度作为控制信号和精密比较器的输出信号之间的相位差。

20、进一步的，在dsp微控制器上构建的频率跟踪控制算法包括：

21、持续检测异或逻辑运算器的输出信号的脉冲宽度，从最低谐振频率开始逐渐增加工作频率，并设置相应的步长；

22、当异或逻辑运算器的输出信号的脉冲宽度接近零时，得到线圈偏移后追踪到的新的谐振频率，并将新的谐振频率作为最优频率；

23、设定容许误差，当检测到的相位差小于预设误差角时，认定系统的谐振频率已被跟踪。

24、本发明第二方面提供了一种基于最优频率跟踪控制方法的wpt电池充电器，其特征在于，包括：

25、电源模块、逆变模块、补偿模块、耦合模块、有源整流模块、检测模块、微处理器、门极驱动电路；

26、所述电源模块用于为wpt系统供电；

27、所述逆变模块用于将直流电变为高频交流电，其中mosfet功率管型号为ipp65r045，二极管型号为mbr20200；

28、所述补偿模块包括s-s补偿电容器的一次侧和二次侧；

29、所述耦合模块用于电能的传输；

30、所述有源整流模块将交流电整流为直流电为负载供电；

31、所述检测模块包括高频电流传感器、比较放大电路、过零比较器，用于检测线圈间隙距离改变时的相位差；

32、所述微处理器用于编程产生pwm波；

33、所述门极驱动电路用于驱动mosfet的导通与关断。

34、相对于现有技术，本发明所述的一种基于最优频率跟踪控制方法的wpt电池充电器具有以下有益效果：

35、通过检测输入相位角，当间隙距离变化和磁耦合器错位变化时，可以跟踪并准确确定系统谐振频率，使得wpt系统能够同时满足cc输出、最优传输效率和zvs，提高了工作效率。

技术特征：

1.一种最优频率跟踪控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种最优频率跟踪控制方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种最优频率跟踪控制方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的一种最优频率跟踪控制方法，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的一种最优频率跟踪控制方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的一种最优频率跟踪控制方法，其特征在于：

7.应用权利要求1-6任一所述的一种最优频率跟踪控制方法的wpt电池充电器，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供了一种基于最优频率跟踪控制方法的WPT电池充电器，建立带有二级有源整流器的S‑S补偿WPT转换器拓扑结构模型，并确定拓扑结构模型的输入阻抗表达式；推导输入阻抗角与工作频率的关系表达式，并通过检测输入阻抗角进行频率跟踪控制；使用相位差检测电路检测线圈间隙距离改变时的相位差；在DSP微控制器上构建频率跟踪控制算法，跟踪得到最优频率。本发明有益效果：通过检测输入相位角，当间隙距离变化和磁耦合器错位变化时，可以跟踪并准确确定系统谐振频率，使得WPT系统能够同时满足CC输出、最优传输效率和ZVS，提高了工作效率。

技术研发人员：许飞,郑华磊,张献,邓希权,任毓祥,陈志鑫
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6