基于变移相角的无线充电系统功率与信号同步控制方法

本发明涉及电动汽车无线充电领域，尤其涉及一种基于变移相角的无线充电系统功率与信号同步控制方法，所述无线功率与信号同步传输方法适用于电动汽车无线充电系统。

背景技术：

1、在电动汽车无线充电技术领域中，为实现信息的交互传递以实现实际控制需要，对于无线电能设备来说，不仅仅要求传输电能功率，同时还需要进行传递信号，以实现对各类参数进行实时监测、发送指令到负载侧使得反馈至电能发射端的参数和发送至负载侧的控制信号同时传输，有利于监控整个系统提升传输效率，而且在传输信号的同时要减少对减少效率的影响，提升传输效率。

2、为此，针对电动汽车无线通信技术国内外专家学者提出了一些控制方法，主要有：

3、题为《icpt系统电能信号共享通道实时同步传输方法研究》(《中国电机工程学报》，2016年第36卷第19期5172～5178页)提出一种利用icpt系统电能传输耦合机构作为共享通道，实现信号实时、双向传输的方法。载波的加载和检波电路直接并联在电能传输耦合机构上，并利用阻波电路阻断载波通过电能传输的谐振电容及负载稳压控制电路，但是该文章为了利用电能通道实现信号的无线传输，在系统原有结构基础上增加了信号加载及信号检波电路以及用于阻断高频载波进入谐振补偿电路的高频载波电路，结构复杂，且没有考虑传输信号时对传输功率的影响。

4、题为《simultaneous wireless power and information transfer based onphase-shift modulation in icpt system》【《ieee transactions on industrialelectronics》，2022，69(6)：6090-6100】(《基于相移调制的icpt系统无线电力与信息同步传输》《ieee工业电子学报》，2022年第69卷第6期6090～6100页)的文章将系统谐波作为信号载波，通过调频在副边侧的信号检测通道得到信号载波的包络变化来进行信号传输，建立wpt系统的频闪映射模型推导dc-ac逆变器的软开关点，并利用偏差频率放大效应(dfee)减小调频幅度以最大限度地减少信号传输对电能传输的干扰，这种方式不需要额外的信号发射或信号接收线圈即可进行带能与信号的传输，但该文章所提方法需要调节开关管的驱动波形频率，改变了整个无线电能传输系统的工作频率，谐振网络参数设计无法随之改变，影响负载输出波形以及难以实现双向无线充电系统的信号传输。

5、综上可知，目前电动汽车无线充电系统功率与信号同步传输技术还不完善，目前功率与信号共享通道传输方法无法实现对系统输出有功功率的调节，无法实现不同功率点运行，未考虑传输信号时无功功率对电能传输的负面影响，如输出电流不稳定，且增加额外的通信电路会造成设备沉重、控制复杂、成本增加等缺点。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，即针对上述各种技术方案中存在的问题，提供一种基于变移相角的无线充电系统功率与信号同步控制方法。

2、本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于变移相角的无线充电系统功率与信号同步控制方法，所述无线充电系统包括原边侧直流电源、副边侧直流电源、双向无线充电模块和控制器，所述双向无线充电模块包括原边侧和副边侧；所述原边侧包括原边侧滤波电容、原边侧h桥电路、原边侧谐振补偿网络和原边侧耦合线圈，其中，原边侧滤波电容与原边侧直流电源并联，原边侧h桥电路与原边侧滤波电容并联，原边侧h桥电路、原边侧谐振补偿网络和原边侧耦合线圈依次串联；所述副边侧包括副边侧滤波电容、副边侧h桥电路、副边侧谐振补偿网络和副边侧耦合线圈，其中，副边侧滤波电容与副边侧直流电源并联，副边侧h桥电路与副边侧滤波电容并联，副边侧h桥电路、副边侧谐振补偿网络和副边侧耦合线圈依次串联；副边侧耦合线圈通过互感m接收原边侧耦合线圈发射的电磁场，并转化为电能；所述控制器包括原边侧控制器和副边侧控制器，原边侧控制器、副边侧控制器分别用于原边侧驱动信号、副边侧驱动信号的处理及发送；

3、所述原边侧h桥电路包括4个具有反向并联二极管的开关管，分别记为开关管s11、开关管s12、开关管s13和开关管s14，其中，开关管s11的发射极和开关管s12的集电极串联组成原边侧第一桥臂，且接点记为原边侧第一桥臂中点a，开关管s13的发射极和开关管s14的集电极串联组成原边侧第二桥臂，且接点记为原边侧第二桥臂中点b，a和b构成原边侧h桥电路的输出端；所述副边侧h桥电路包括4个具有反向并联二极管的开关管，分别记为开关管s21、开关管s22、开关管s23和开关管s24，其中，开关管s21的发射极和开关管s22的集电极串联组成副边侧第一桥臂，且接点记为副边侧第一桥臂中点c，开关管s23的发射极和开关管s24的集电极串联组成副边侧第二桥臂，且接点记为副边侧第二桥臂中点d，c和d构成副边侧h桥电路的输出端；

4、所述同步控制方法包括以下步骤：

5、步骤1，信号载波与基带信号的确定

6、将驱动信号的基波频率记为基波频率f1，将频率为f3的三次谐波记为信号载波，f3＝3f1；将无线充电系统需要传输的原始信号记为基带信号，所述基带信号为方波信号，基带信号的周期为tz；基带信号中的高低电平对应着需要传输的数字信号，当基带信号为高电平时，无线充电系统传输的数字信号为“1”，当基带信号为低电平时，无线充电系统传输的数字信号为“0”；

7、步骤2，信号发送边和信号接收边的确定

8、当原边侧向副边侧发送基带信号或者副边侧向原边侧发送基带信号时，将发送基带信号的一边称为信号发送边，将接收基带信号的一边称为信号接收边；

9、步骤3，采样

10、采样信号发送边h桥电路的输出电压并记为信号发送边电压u0、采样信号接收边h桥电路的输出电压并记为信号接收边电压u1、采样信号接收边h桥电路的输出电流并记为信号接收边电流i1、采样信号接收边的耦合线圈电流并记为信号接收边耦合电流ir；

11、步骤4，信号发送边h桥电路信号调制设计

12、记信号发送边内移相角为α，谐波次数为k，对信号发送边电压u0经傅里叶级数展开得到信号发送边电压u0的k次谐波分量幅值的标幺值uk，然后计算得到信号发送边电压u0的3次谐波分量幅值的标幺值，并记为3次谐波标幺值|u|；

13、信号发送边h桥电路控制信号为信号发送边内移相角α，以信号发送边内移相角α为自变量计算3次谐波标幺值|u|，并将3次谐波标幺值|u|为0时对应的信号发送边内移相角α记为第一内移相角α1，将3次谐波标幺值|u|为最大值时对应的信号发送边内移相角α记为第二内移相角α2；

14、信号发送边h桥电路信号调制的编码规则为：当无线充电系统传输的数字信号为“1”时，将信号发送边内移相角α改变为第一内移相角α1，当无线充电系统传输的数字信号为“0”时，将信号发送边内移相角α改变为第二内移相角α2；

15、步骤5，信号接收边h桥电路控制设计

16、步骤5.1，引入相位差其中，∠u1为信号接收边电压u1的相位，∠i1为信号接收边电流i1的相位；

17、根据相位差信号接收边电压u1和信号接收边电流i1，得到信号接收边h桥电路输出有功功率p1和信号接收边h桥电路输出无功功率q1；

18、步骤5.2，根据相位差信号接收边电压u1和信号接收边电流i1，得到信号接收边h桥电路输出有功功率标幺值p1*；根据给定的信号接收边h桥电路输出有功功率指令标幺值p*和信号接收边h桥电路输出有功功率标幺值p1*计算得到信号接收边h桥电路输出有功功率标幺值误差信号δ1，δ1＝p*-p1*；根据信号接收边h桥电路输出有功功率控制方程得到外移相角γ；

19、步骤5.3，根据相位差信号接收边电压u1和信号接收边电流i1，得到信号接收边h桥电路输出无功功率标幺值q1*；根据给定的信号接收边h桥电路输出无功功率指令标幺值q*和信号接收边h桥电路输出无功功率标幺值q1*得到信号接收边h桥电路输出无功功率标幺值误差信号δ2，δ2＝q*-q1*；根据信号接收边h桥电路输出无功功率控制方程得到信号接收边内移相角β，信号接收边h桥电路控制信号为信号接收边内移相角β和外移相角γ的协同；

20、步骤6，基带信号的解调

21、对信号接收边耦合电流ir进行快速傅里叶变换后得到频率为f3的信号载波在频域的幅值sp；

22、定义幅值参考值c，c＝(f1+f2)/2，其中，f1为第一内移相角α1时的信号载波频域的幅值，f2为第二内移相角α2时的信号载波频域的幅值；

23、信号接收边的控制器按照下述规则判断并发送基带信号：

24、当sp＞c时，判断发送的数字信号为“0”，输出低电平信号；

25、当sp＜c时，判断发送的数字信号为“1”，输出高电平信号。

26、优选地，步骤4所述信号发送边电压u0的k次谐波分量幅值的标幺值uk和3次谐波标幺值|u|的表达式分别为：

27、

28、

29、优选地，步骤5.1所述信号接收边h桥电路输出有功功率p1和信号接收边h桥电路输出无功功率q1的表达式分别为：

30、

31、

32、优选地，步骤5.2所述信号接收边h桥电路输出有功功率标幺值p1*的表达式为：

33、

34、所述信号接收边h桥电路输出有功功率控制方程为：

35、γ＝(kp1+ki1/s)(p*-p1*)

36、其中，kp1为有功功率比例控制系数，ki1为有功功率积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

37、优选地，步骤5.3所述信号接收边h桥电路输出无功功率标幺值q1*的表达式为：

38、

39、所述信号接收边h桥电路输出无功功率控制方程为：

40、β＝(kp2+ki2/s)(q*-q1*)

41、其中，kp2为无功功率比例控制系数，ki2为无功功率积分控制系数，s为拉普拉斯算子。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

43、1.本发明提出的基于变移相角的无线充电系统功率与信号同步控制方法，无须增加额外的调制与解调电路等通信设备，只依靠无线电能传输电路即可实现信号传输。

44、2.本发明在实现信号传输的同时，通过有功功率环能实现对无线充电系统输出有功功率的调节，可以随实际情况调控不同功率点运行，通过无功功率环能实现对无线充电系统输出无功功率的降低，有功功率环与无功功率环的协同控制能够稳定无线充电系统副边侧直流电源电流，在保证有功输出的前提下尽可能减小无功，减少了信号传输对电能传输的影响，提高了传输效率。

45、3.本发明无须改变原副边侧h桥电路的开关频率，相比于变开关频率等方法需改变对应频率的谐振网络参数，本发明变发送边内移相角而不改变开关频率，可以实现固定谐振网络参数下的无线信号传输；

46、4.节省设备成本，控制简便。