一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，针对负载投入‑移除使得电场耦合无线电能传输系统的拓扑结构发生改变，通常会对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，使得系统无法正常工作这一问题，围绕基于E类变换器的ECPT系统的基本特性分析，利用负载移除前后系统的等效电路形式基本一致的特点，给出了实现系统负载软切换需具备的条件，并提出了一种参数设计方法使得系统在固定的工作频率下即可实现负载的软切换。最后利用该方法得到了一组参数，在MATLAB仿真平台下构建了系统的仿真模型并搭建了实验电路，仿真和实验结果验证了该方法的可行性。

A parameter design method for soft handoff in ECPT system

The invention discloses a realization method of load parameter design of soft handoff in a ECPT system, according to the topological structure of the load input removed so that the electric field coupling wireless power transmission system changes, usually caused by voltage large current or even damage to the switch, so that the system can work normally this problem, focus on the analysis of basic characteristics the ECPT system of E converter based on the characteristics of the equivalent circuit of the system before and after the load is removed form the basic agreement, the implementation of the system load of soft switching conditions are given, the soft handover and proposes a design method of the parameters of the system can be realized in the work load under fixed frequency. Finally, a set of parameters are obtained by using this method. The simulation model of the system is built on the MATLAB simulation platform and the experimental circuit is built. The simulation and experimental results verify the feasibility of the method.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线电能传输系统领域，具体的说，是一种ECPT(Electric-fieldCoupledPowerTransfer，电场耦合型无线电能传输)系统中实现负载软切换的参数设计方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer,WPT)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无线接入与传输，彻底摆脱了导体连接的束缚，从而具有便捷、灵活、安全、可靠等优点。作为一种电能柔性接入与传输方式，其广大的市场前景和科学研究价值，正日益引起同行的高度重视，现已成为现代电气工程及自动化领域研究与开发的热点，并于2012和2013年连续两次被世界经济论坛列为“对世界影响最大、最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术之一”。其中，基于电场耦合的能量传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，形状不受限制；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。因此，国内外许多研究团队越来越关注ECPT技术的研究。在ECPT实际应用中，例如电动汽车充电、家用电器和移动消费电子设备等领域，负载的种类繁多、功率等级不尽相同，特别是可移动负载设备经常需要从供电系统移入移除。负载的投入-移除使得ECPT系统的拓扑结构发生改变，通常会使系统偏离软开关，导致开关管端电压和流经开关管的电流发生突变，对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，进而使得系统无法正常工作。
技术实现思路
针对负载投入-移除使得ECPT系统的拓扑结构发生改变，通常会对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，使得系统无法正常工作这一问题，本专利技术提出了“负载软切换”的概念：系统负载在任意时刻的投入-移除，都要保证系统始终处于软开关工作状态，不会对开关管造成明显的电压电流过冲。当负载投入时，系统能够高效稳定地为负载提供需要的功率；当负载移除后，系统工作在低功耗状态。本专利技术给出了实现系统负载软切换需具备的条件，并提出了一种参数设计方法使得系统在固定的工作频率下即可实现负载的软切换。为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，其关键在于，包括以下步骤：步骤1：选定基于E类变换器的ECPT系统拓扑结构，其原边电路主要由直流电源、扼流电感、MOSFET开关管、调谐电感、调谐电感前端旁路电容、调谐电感后端调谐电容以及耦合机构中的两块发射极板构成；步骤2：选定系统参数VI、Lf、QL和R，其中VI为直流电源电压，Lf为扼流电感值，QL为品质因数，R为负载电阻；步骤3：设定初始参数f、Cs，其中f为系统带负载时的运行频率，Cs为耦合机构的等效电容；步骤4：根据步骤3所设定的初始参数以及电路各参数之间的关系计算系统主要参数Rs,C1,C2以及L，其中Rs为负载R经过串并联等效互换后的等效串联电阻，C1为调谐电感前端旁路电容的容值，C2为调谐电感后端调谐电容的容值，L为调谐电感的感值；步骤5：计算Rsmax和fo1空载；步骤6：判断是否满足负载限制条件，如果满足进入步骤7，否则返回步骤3调整参数f和Cs；步骤7：判断是否满足频率限制条件，如果满足进入步骤8，否则返回步骤3调整参数f和Cs；步骤8：给出满足负载软切换要求的系统参数C1,C2,L,f和Cs。作为进一步描述，步骤4中先将负载电阻R进行串并联等效互换，先将串联阻抗变换为并联阻抗，然后再将并联阻抗变换为串联阻抗，使其得到E类变换器的基本电路形式，最后按照以下关系式可以得到参数Rs,C1,C2以及L；XCS=RRS[(QL-π(π2-4)/16)2+1]R-1;]]>L=QLRSω;]]>ωC1RS=8π(π2+4);]]>XC2=RS[(QL-π(π2-4)/16)2+1]QL-π(π2-4)/16-XCS/R;]]>上式中，表示耦合机构的等效容抗，表示调谐电感后端调谐电容的等效容抗，ω＝2πf。再进一步地，步骤6中负载限制条件为：|Rs-Rsmax|＜δ，其中Rsmax为等效串联电阻Rs随负载电阻R的变化曲线中最佳工作点的等效电阻值，δ为预设阈值。步骤7中频率限制条件为：fo1空载＜f，fo1空载表示负载移除后开关管导通时谐振回路的固有谐振频率。本专利技术的有益效果：本专利技术在目前ECPT技术研究的基础之上，针对负载的投入-移除使得系统的拓扑结构发生改变，通常会导致开关管端电压和流经开关管的电流发生突变，对开关管造成较大的电压电流冲击甚至损坏，进而使得系统无法正常工作这一问题，利用负载移除前后系统的等效电路形式基本一致的特点，给出了实现系统负载软切换的条件，并提出了一种参数设计方法使得系统在定频控制方式下即可实现负载的软切换。附图说明图1是本专利技术的方法流程图；图2是E类变换器的基本拓扑结构；图3是基于E类变换器的ECPT系统拓扑结构；图4是负载移除后开关管电压电流波形变化波形；图5是串并联阻抗的等效互换关系图；图6是等效串联电阻RS随负载电阻R的变化曲线；图7为负载移除后的ECPT系统等效电路；图8为变量对负载软切换条件的影响效果图；图9为融入控制回路的ECPT系统结构图；图10为负载移除前后阻抗变换网络阻抗-相位与频率的关系；图11为系统负载移除前后开关管电压电流的仿真波形。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。如图1所示，一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，包括以下步骤：步骤1：选定基于E类变换器的ECPT系统拓扑结构，其原边电路主要由直流电源、扼流电感、MOSFET开关管、调谐电感、调谐电感前端旁路电容、调谐电感后端调谐电容以及耦合机构中的两块发射极板构成；步骤2：选定系统参数VI、Lf、QL和R，其中VI为直流电源电压，Lf为扼流电感值，QL为品质因数，R为负载电阻；步骤3：设定初始参数f、Cs，其中f为系统带负载时的运行频率，Cs为耦合机构的等效电容；步骤4：根据步骤3所设定的初始参数以及电路各参数之间的关系计算系统主要参数Rs,C1,C2以及L，其中Rs为负载R经过串并联等效互换后的等效串联电阻，C1为调谐电感前端旁路电容的容值，C2为调谐电感后端调谐电容的容值，L为调谐电感的感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选定基于E类变换器的ECPT系统拓扑结构，其原边电路主要由直流电源、扼流电感、MOSFET开关管、调谐电感、调谐电感前端旁路电容、调谐电感后端调谐电容以及耦合机构中的两块发射极板构成；步骤2：选定系统参数VI、Lf、QL和R，其中VI为直流电源电压，Lf为扼流电感值，QL为品质因数，R为负载电阻；步骤3：设定初始参数f、Cs，其中f为系统带负载时的运行频率，Cs为耦合机构的等效电容；步骤4：根据步骤3所设定的初始参数以及电路各参数之间的关系计算系统主要参数Rs,C1,C2以及L，其中Rs为负载R经过串并联等效互换后的等效串联电阻，C1为调谐电感前端旁路电容的容值，C2为调谐电感后端调谐电容的容值，L为调谐电感的感值；步骤5：计算Rsmax和fo1空载；步骤6：判断是否满足负载限制条件，如果满足进入步骤7，否则返回步骤3调整参数f和Cs；步骤7：判断是否满足频率限制条件，如果满足进入步骤8，否则返回步骤3调整参数f和Cs；步骤8：给出满足负载软切换要求的系统参数C1,C2,L,f和Cs。

【技术特征摘要】
1.一种ECPT系统中实现负载软切换的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选定基于E类变换器的ECPT系统拓扑结构，其原边电路主要由直流电源、扼流电
感、MOSFET开关管、调谐电感、调谐电感前端旁路电容、调谐电感后端调谐电容以及耦合机
构中的两块发射极板构成；
步骤2：选定系统参数VI、Lf、QL和R，其中VI为直流电源电压，Lf为扼流电感值，QL为品质
因数，R为负载电阻；
步骤3：设定初始参数f、Cs，其中f为系统带负载时的运行频率，Cs为耦合机构的等效电
容；
步骤4：根据步骤3所设定的初始参数以及电路各参数之间的关系计算系统主要参数Rs,
C1,C2以及L，其中Rs为负载R经过串并联等效互换后的等效串联电阻，C1为调谐电感前端旁
路电容的容值，C2为调谐电感后端调谐电容的容值，L为调谐电感的感值；
步骤5：计算Rsmax和fo1空载；
步骤6：判断是否满足负载限制条件，如果满足进入步骤7，否则返回步骤3调整参数f和
Cs；
步骤7：判断是否满足频率限制条件，如果满足进入步骤8，否则返回步骤3调整参数f和
Cs；
步骤8：给出满足负载软切换要求的系统参数C1,C2,L,f和Cs。
2.根据权利要求1所述的一种ECPT系统中实现负载软...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏玉刚，赵鱼名，戴欣，王智慧，叶兆虹，孙跃，唐春森，朱婉婷，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50