一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法。所述控制方法具体为：首先需要根据系统负载状态，设置负载电流切换阈值以区分轻重载工况，当负载电流大于切换阈值时即为重载状态，此时若接收端三电平电路为单桥臂模式，则需切换为双桥臂模式，以降低开关管电流应力，并进一步减小重载时的输出电流纹波；同样的，当负载电流小于切换阈值时即为轻载状态，此时若接收端三电平电路为双桥臂模式，则需切换为单桥臂模式，在降低开关损耗的同时减小输入电压带来的波动，实现高效可靠的负载供电。实现高效可靠的负载供电。实现高效可靠的负载供电。

【技术实现步骤摘要】
一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法


[0001]本专利技术应用于电动汽车、自动导引车(AGV)、轨道交通等对象的动态无线供电领域，特别是涉及一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法。

技术介绍

[0002]动态无线供电技术来源于磁耦合谐振式无线电能传输技术，是指在道路下铺设发射装置，利用电磁变换原理，通过磁耦合机构线圈，将电能变换为高频磁场，车载接收线圈和电力电子变换装置把高频磁场再变换为电能，对行驶中的电动汽车进行供电的技术。动态无线供电系统的基本结构如图1所示，分为发射端系统(地面部分)、磁耦合机构以及接收端系统(车载部分)三大部分。
[0003]动态无线供电系统中多采用双极型供电导轨作为能量交互的磁耦合机构，其结构示意图如图2所示。双极型供电导轨由导轨磁芯和发射线圈两部分组成，其中导轨磁芯根据形状结构的不同可以分为I型结构、S型结构和N型结构，发射线圈紧密缠绕在导轨磁芯上，沿行车方向产生N、S交错的等效磁极，相邻的两个发射线圈的极性实时相反，导轨上方的磁力线方向沿着导轨铺设方向纵向延伸。
[0004]当电动汽车以动态无线供电方式运行时，放置于车载侧的接收端主要负责无线供电功率的拾取和电能变换，以满足不同负载状态下的电动汽车电池负载用电需求。电动汽车的动态无线供电过程存在以下挑战：
[0005]一、在车辆行驶过程中，无线供电的发射端耦合到接收端的高频电压具有输出电压等级高的特点，传统的接收端调制电路如Buck、Boost等两电平电路拓扑难以适应因高电压等级带来开关器件的高电压应力，同时当电池负载为大功率电机提供能量供应时，满载条件下的输出电流要求较大，传统的单输出电路无法实现大电流输出，接收端变换电路需要同时满足高电压输入和大电流输出的应用需求；
[0006]二、电动汽车的电池负载在充电过程中同时存在重载和轻载工况。如图3所示，为电动汽车供电电池的充电特性曲线，电池的SOC随充电过程而发生变化，电池电压逐渐上升，而充电电流逐渐减小，可见在充电过程中存在电池负载由重载向轻载的变化过程。同样的，以电动客车为例，车载量不同的情况下，其所需的供电电流大小也不同。为了适应电动汽车在动态无线供电过程中的负载变化，同时考虑不同负载下的效率问题，有必要设计可根据负载状态灵活切换的电路拓扑以实现更高效可靠的电能传输。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法。
[0008]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法，所述控制方法具体为：首先需要根据系统负载状
态，设置负载电流切换阈值以区分轻重载工况，当负载电流大于切换阈值时即为重载状态，此时若接收端三电平电路为单桥臂模式，则需切换为双桥臂模式，以降低开关管电流应力，并进一步减小重载时的输出电流纹波；同样的，当负载电流小于切换阈值时即为轻载状态，此时若接收端三电平电路为双桥臂模式，则需切换为单桥臂模式，在降低开关损耗的同时减小输入电压带来的波动，实现高效可靠的负载供电。
[0009]进一步地，以占空比D＜0.5为例，两路三电平电路采用交错并联控制方式，导通时间为DT
s
，交错角度为90
°
，即开关管S
b1
较之S
a1
滞后90
°
导通，定义开关管S
a1
、S
a2
、S
a3
、S
a4
为超前桥臂，S
b1
、S
b2
、S
b3
、S
b4
为滞后桥臂，当该电路作为Buck降压电路时，S
a1
、S
a2
、S
b1
、S
b2
作为主控开关管进行功率控制，S
a3
、S
a4
、S
b3
、S
b4
作为辅助开关管起续流作用。
[0010]进一步地，当行车状态处于重载模式，电池输入功率需求大时，大充电电流由交错并联电路两组桥臂分别承担，交错并联的电路结构可以有效降低输出电流的纹波，并在谐振侧输出大电流时有效降低开关器件的电气应力，当行车状态由重载模式切换到轻载模式时，电池充电电流开始减小，单桥臂的工作电流处于低幅值，此时将原本同时工作的两组桥臂的其中一组作为输出主桥臂，另一组切换为滤波桥臂，滤波桥臂中的上下开关闭合，中间开关断开以减小开关损耗，从而将桥臂中的飞跨电容切换为并联在直流母线的滤波电容进行稳压滤波，在减小开关损耗的同时提升对接收端输入功率波动的抑制能力。
[0011]进一步地，以滞后桥臂为例，由单桥臂向双桥臂切换时，此时开关管S
b4
关断，开关管S
b1
占空比D
sb1
由1逐渐减小至控制输出值D，而开关管S
b2
占空比D
sb2
由0逐渐增大至控制输出值D，进而对相应开关管进行脉冲控制即可。
[0012]进一步地，当需要由双桥臂模式切换为单桥臂模式时，首先将主工作的两个开关管逐渐关断，此时该桥臂所有开关管均处于关断状态，飞跨电容上的电压处于箝位状态，此时开通下半部分的开关管S
b4
，进行负载电压U
o
和飞跨电容电压U
cb
的匹配，当负载电压大于飞跨电容电压时，S
b4
的开通会使电感电流上升，并经S
b2
给飞跨电容充电升压，当S
b4
关断时，电感电流经S
b1
和S
b2
续流，当飞跨电容的电压大于或等于负载电压时，S
b4
的开关不会再引电感电流变化，S
b4
常开，充电结束；此时飞跨电容电压仍不等于输入电压，逐渐导通S
b3
的开关管，此时的S
b3
与关断的S
b2
共同组成了Boost电路，电源则为接收端的输入端口为飞跨电容进行充电，当S
b3
导通时，电感电流上升，电流经S
b3
、S
b4
流回接收端输入，当S
b3
关断，电感电流流经S
b2
和S
b4
为飞跨电容充电，当飞跨电容电压等于输入电压时，充电结束，此时保持S
b4
的导通，并开通S
b1
，关断S
b3
，则单桥臂的切换过程结束；滞后桥臂切换为滤波并联桥臂，飞跨电容切换为滤波电容，在轻载模式下有效降低开关损耗并减小因动态供电行车产生的输入电压波动。
[0013]进一步地，所述接收端交错并联三电平电路拓扑的结构具体为：动态发射端将工频交流电进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于不同负载模式的接收端交错并联三电平电路拓扑切换控制方法，其特征在于：所述控制方法具体为：首先需要根据系统负载状态，设置负载电流切换阈值以区分轻重载工况，当负载电流大于切换阈值时即为重载状态，此时若接收端三电平电路为单桥臂模式，则需切换为双桥臂模式，以降低开关管电流应力，并进一步减小重载时的输出电流纹波；同样的，当负载电流小于切换阈值时即为轻载状态，此时若接收端三电平电路为双桥臂模式，则需切换为单桥臂模式，在降低开关损耗的同时减小输入电压带来的波动，实现高效可靠的负载供电。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，以占空比D＜0.5为例，两路三电平电路采用交错并联控制方式，导通时间为DT
s
，交错角度为90
°
，即开关管S
b1
较之S
a1
滞后90
°
导通，定义开关管S
a1
、S
a2
、S
a3
、S
a4
为超前桥臂，S
b1
、S
b2
、S
b3
、S
b4
为滞后桥臂，当该电路作为Buck降压电路时，S
a1
、S
a2
、S
b1
、S
b2
作为主控开关管进行功率控制，S
a3
、S
a4
、S
b3
、S
b4
作为辅助开关管起续流作用。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，当行车状态处于重载模式，电池输入功率需求大时，大充电电流由交错并联电路两组桥臂分别承担，交错并联的电路结构可以有效降低输出电流的纹波，并在谐振侧输出大电流时有效降低开关器件的电气应力，当行车状态由重载模式切换到轻载模式时，电池充电电流开始减小，单桥臂的工作电流处于低幅值，此时将原本同时工作的两组桥臂的其中一组作为输出主桥臂，另一组切换为滤波桥臂，滤波桥臂中的上下开关闭合，中间开关断开以减小开关损耗，从而将桥臂中的飞跨电容切换为并联在直流母线的滤波电容进行稳压滤波，在减小开关损耗的同时提升对接收端输入功率波动的抑制能力。4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，以滞后桥臂为例，由单桥臂向双桥臂切换时，此时开关管S
b4
关断，开关管S
b1
占空比D
sb1
由1逐渐减小至控制输出值D，而开关管S
b2
占空比D
sb2
由0逐渐增大至控制输出值D，进而对相应开关管进行脉冲控制即可。5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏国，程连斌，周星健，高鑫，朱春波，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：