基于集成线圈的MC-WPT系统宽范围零电压开关实现方法与流程

本发明涉及磁耦合无线电能传输(mc-wpt)，尤其涉及一种基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法。

背景技术：

1、近年来，磁耦合无线电能传输(mc-wpt)技术发展迅猛并逐渐被推广应用于无人机(uav)、电动汽车(ev)、自动导引车(agv)、消费电子等领域。其中，传输距离是衡量mc-wpt系统性能的关键指标之一。在实际应用中，发射器和接收器之间的空气间隙往往是不确定的。例如，无人机由于机型结构不同，其接收端安装位置不固定，导致实际充电距离不同；电动汽车底盘离地高度与载重和胎压有关；agv由于弹簧形变，其空载与满载时的离地高度也变化很大。一般来说，气隙变化会影响耦合机构互感。但同时，为增强线圈耦合并减小电磁泄漏，往往在耦合机构中加入铁氧体磁芯，这就导致气隙变化也会影响到线圈自感。互感变化会引起输出功率波动，自感变化会引起失谐和输入阻抗变化，导致零电压开关(zvs)难以实现，从而功率和效率都会降低。而目前缺乏一种行之有效的解决办法。

技术实现思路

1、本发明提供基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，解决的技术问题在于：mc-wpt系统互感自感同时变化带来的输出波动、zvs无法实现、效率降低。

2、为解决以上技术问题，本发明提供基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，包括步骤：

3、s1、确定mc-wpt系统的磁耦合机构，该磁耦合机构包括发射线圈lp、接收线圈ls和补偿线圈lt，补偿线圈lt集成在发射线圈lp中，其中补偿线圈lt为发射端所采用lcc补偿网络中的补偿电感，该补偿电感的电感值可变；

4、s2、基于步骤s1确定的磁耦合机构搭建完整的mc-wpt系统并运行，此时lp、ls、lt为初始值lp0、ls0、lt0，且lp0、ls0、lt0满足系统谐振条件；

5、s3、利用闭环移相控制实现系统恒定功率输出；

6、s4、在闭环移相控制过程中，始终以满足零电压开关实现条件为目标，调节补偿线圈lt的电感值。

7、进一步地，在步骤s4中，所述零电压开关实现条件为：

8、

9、其中，iin(t1)为逆变器开通电流，coss为逆变器的mosfet结电容，uin为逆变器输出电压，td为死区时间，imin＜0表示允许的iin(t1)的最小值，iin(t1)通过调节补偿线圈lt的电感值调节。

10、进一步地，iin(t1)由下式计算：

11、

12、其中，udc为发射端直流输入电压，zp表示原边线圈回路阻抗，zr表示副边反射阻抗，zs表示副边回路阻抗，α表示逆变器导通角，表示原边线圈回路阻抗角，x表示系统总输入阻抗，θ表示系统输入阻抗角；zp、zr、zs、x、θ、α计算为：

13、zp＝zr+jωδlp+jωlt0

14、

15、zs＝req+jωδls

16、

17、

18、

19、

20、其中，m为发射线圈与接收线圈之间的互感，ω为系统的工作角频率，δlp、δls、δlt分别为系统运行过程中相比lp0、ls0、lt0的变化量，req表示等效交流负载，ul表示系统恒定输出电压，im[]表示虚部，re[]表示实部，||表示取模，j为虚数单位。

21、进一步地，步骤s4具体包括步骤：

22、s41、获取此刻的δlp、δls、δlt、m，计算此时的iin(t1)和并进入步骤s42；

23、s42、判断当前的iin(t1)是否满足当前的零电压开关实现条件，若是则返回至步骤s1，若否则进入步骤s43；

24、s43、增大补偿线圈lt的电感值，获取此时的δlt重新计算iin(t1)，并跳转至步骤s42。

25、进一步地，所述步骤s43具体包括步骤：

26、s431、判断当前的和iin(t1)的关系，若和iin(t1)均为正值或者为负值、iin(t1)为正值，则每次以最大增量增加补偿线圈lt的电感值，然后获取此时的δlt重新计算iin(t1)，并跳转至步骤s42，反之若为负值、iin(t1)为负值，则进入步骤s432；

27、s432、计算此时与iin(t1)的差值绝对值，并判断该差值绝对值是否大于预设差值绝对值，若是则每次以中等增量增加补偿线圈lt的电感值，然后获取此时的δlt重新计算iin(t1)，并跳转至步骤s42，若否则每次以最小增量增加补偿线圈lt的电感值获取此时的δlt重新计算iin(t1)，并跳转至步骤s42。

28、优选地，所述最大增量为5uh，所述中等增量为3uh，所述最小增量为1uh。

29、优选地，发射端所采用lcc补偿网络还包括原边串联补偿电容cp和原边并联补偿电容ct；接收端采用s型补偿网络，包括副边串联补偿电容cs。

30、优选地，ct、cp和cs满足：

31、

32、具体地，逆变器输出电压uin由下式计算：

33、

34、优选地，所述发射线圈lp和所述接收线圈ls采用相同的q型线圈，所述补偿线圈lt采用与q型线圈解耦的dd型线圈。

35、本发明提供的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，首先利用闭环移相控制实现恒定功率输出，其次针对移相控制在宽范围调制中zvs难以实现的问题，利用集成线圈(补偿线圈)提供可变的补偿电感值，从而动态调整系统阻抗，使输入阻抗始终保持弱感性，这样既可以实现宽范围zvs运行，又可以减小无功电流，使系统效率得到提升。并且，lcc-s补偿拓扑中补偿电感被集成在发射线圈中，既使耦合机构体积更为紧凑，又为系统带来等效的可变电感，拓宽了软开关范围，有利于提升效率和降低电磁干扰。

技术特征：

1.基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，在步骤s4中，所述零电压开关实现条件为：

3.根据权利要求2所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，iin(t1)由下式计算：

4.根据权利要求3所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，步骤s4具体包括步骤：

5.根据权利要求4所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，所述步骤s43具体包括步骤：

6.根据权利要求5所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于：所述最大增量为5uh，所述中等增量为3uh，所述最小增量为1uh。

7.根据权利要求3～6任一项所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于：发射端所采用lcc补偿网络还包括原边串联补偿电容cp和原边并联补偿电容ct；接收端采用s型补偿网络，包括副边串联补偿电容cs。

8.根据权利要求7所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，ct、cp和cs满足：

9.根据权利要求8所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于，逆变器输出电压uin由下式计算：

10.根据权利要求3～6任一项所述的基于集成线圈的mc-wpt系统宽范围零电压开关实现方法，其特征在于：所述发射线圈lp和所述接收线圈ls采用相同的q型线圈，所述补偿线圈lt采用与q型线圈解耦的dd型线圈。

技术总结本发明涉及磁耦合无线电能传输(MC‑WPT)技术领域，具体公开了一种基于集成线圈的MC‑WPT系统宽范围零电压开关实现方法，首先利用闭环移相控制实现恒定功率输出，其次针对移相控制在宽范围调制中ZVS难以实现的问题，利用集成线圈提供可变的补偿电感值，从而动态调整系统阻抗，使输入阻抗始终保持弱感性，既实现宽范围ZVS运行，又减小无功电流，使系统效率得到提升。并且，LCC‑S补偿拓扑中补偿电感被集成在发射线圈中，既使耦合机构体积更为紧凑，又为系统带来等效的可变电感，拓宽了软开关范围，有利于提升效率和降低电磁干扰。仿真结果表明，在气隙及负载变化时，系统均能实现恒压输出，且逆变器均工作在ZVS状态，系统损耗较小，与理论分析一致。技术研发人员：谢国汕,陈绍南,肖静,冯河清,黄杰坤,刘泉,陈千懿,俞小勇,吴晓锐,龚文兰,杨雄杰,吴宁受保护的技术使用者：广西电网有限责任公司电力科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/23