用于无线电能传输系统有源整流的高频锁相方法

1.本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种用于无线电能传输系统有源整流的高频锁相方法。


背景技术：

2.随着电动汽车逐渐普及，电动汽车的无线充电成为一种非常具有优势的充电方式，相较于传统的有线充电方式，具有使用灵活方便、少维护、可适应恶劣环境、易于实现无人自动供电和移动式供电的优点。用于电动车的无线充电系统通常不仅需要恒压恒流输出能力，同时需要具有较高的运行效率。
3.为了提高系统充电效率，采用有源整流技术是常见的手段。采用有源整流技术不仅可以减小无源整流中二极管的导通损耗，同时可以增加系统控制自由度。不用引入额外的dc/dc变换器，就可以通过控制有源整流器输入电压占空比控制系统输出电压电流。系统的有源整流的关键是可靠的高频锁相技术。然而传统的高频锁相技术存在诸多问题。现有最常见的基于过零检测的高频锁相方法存在脉冲丢失，产生误触发的问题，且不适合用在的双边lcc或者lcl拓扑的无线充电系统中。由于双边lcc或者lcl谐振拓扑中，谐振电流中存在大量的高次谐波，电流畸变严重，导致一个周期可能检测到多个过零点从而导致错误的驱动信号。为了避免这种情况，学者们提出了一种基于辅助检测线圈的同步方法，避免直接检测整流器输入电流。然而这种检测方法，辅助测量线圈体积较大，同时容易受到主线圈中电流的影响，为了消除主线圈中电流对检测的影响，需要精确的设计补偿电路，这无疑增加了硬件电路设计难度。此外近些年提出了一种基于整流器输入有功无功检测的有源整流技术，通过检测到的有功与无功进而反算当前输入电压与电流之间的相位差。然而检测有功无功的硬件电路过于复杂，且无功检测电路的检测值受谐振电流中高次谐波分量的影响，从而影响高频锁相的可靠性与精度。针对上述提到的问题，本发明提出了一种针对半无桥整流器的不依赖电流过零检测的高频锁相技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于无线电能传输系统有源整流的锁相方法，解决了现有技术中存在锁相不可靠，硬件电路复杂的技术问题。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.用于无线电能传输系统有源整流的锁相方法，包括以下步骤：
7.步骤1，将控制系统接入基于双边lcc补偿网络的无线电能传输系统；基于双边lcc补偿网络的无线电能传输系统包括与功率电路依次连接的pfc模块，高频逆变器，谐振网络和高频整流器；
8.步骤2，通过高频锁相电路采样检测副边直流侧的电压电流值与给定参考电压电流指令做差并送入到pid控制器中.
9.步骤3，采用高频锁相电路检测高频整流器中半无桥下桥臂功率管q1漏源两端电
压，得到当前整流器输入电压与输入电流之间的相位值；
10.步骤4，相位环pid控制器输出量经过限幅后作为副边主控制器pwm模块中的相位的更新值，进而生成功率管驱动脉冲，最终实现相位锁定与输出电压电流的控制。
11.本发明的特点还在于：
12.高频逆变器由四个功率管组成，每个桥臂由两个功率管串联而成，桥臂中点连接到谐振网络；
13.谐振网络分为原副两边，分别由谐振电容，补偿电感，主线圈构成；谐振网络输出连接到高频整流器的桥臂中点；
14.高频整流器的上半桥臂为二极管，下半桥臂为有源功率管。
15.控制系统主要包含：原副边主控制器，adc采样模块，pwm驱动电路；副边adc采样模块输入端连接副边整流器，输出端连接到副边控制器；副边无线模块与副边控制器相连接，把副边信号传递到原边无线模块；原边无线模块与原边控制器相连，把接收到的副边信息传送给原边控制器；原副边的控制器连接pwm驱动电路输入端，pwm驱动电路输出端连接整流器和逆变器中的功率器件。
16.高频锁相电路包括依次连接的电阻r1和电阻r2，电阻r1远离电阻r2的一端依次连接电容c1、电容c2、电阻r2远离电阻r1的一端，电阻r1接近电阻r2的一端与电容c1接近电容c2的一端并连接比较器的正向输入端，比较器的负向输入端接地；高频锁相电路通过将电阻r1远离电阻r2的一端和电阻r2远离电阻r1的一端分别接入功率管q1漏源两端进行电压检测，高频锁相电路中电阻电容参数满足以下关系：
17.r1c1＝r2c2ꢀꢀ
(1)
18.步骤2具体的为：通过高频锁相电路采样检测副边直流侧的电压电流值与给定参考电压电流指令做差并送入到pid控制器中，pid控制器输出量经过限幅后得到电压占空比指令β
1sref
，再根据公式：
[0019][0020]
得到内环锁相环的参考指令
[0021]
步骤3具体的为：通过高频锁相电路检测半无桥下桥臂功率管q1漏源两端电压v
ds
,通过分压电压将电压衰减为一个幅值较小的电压信号v
cg1
,然后将该电压信号接入到比较器输入端去，比较器输出电压信号v
cg2
,然后通过低通滤波电路对电压信号v
cg2
进行滤波得到直流量电压信号v
cg3
；电压信号v
cg3
的幅值大小为当前整流器输入电压占空比大小，通过等式：
[0022][0023]
计算得到当前整流器输入电压与输入电流之间的相位值，该相位值作为反馈值送入锁相环中，与相位参考值做差并把送入到内环相位环的pid控制器中。
[0024]
步骤4具体的为：相位环pid控制器输出量经过限幅后作为副边主控制器pwm模块中的相位的更新值，进而产生功率管q1的脉冲，功率管q2的驱动脉冲通过对功率管q1的驱动脉冲移相180
°
得到，最终实现相位锁定与输出电压电流的控制；
[0025]
通过锁相环节实现输入电流i
rs
超前输入电压v
cd
，使得整流器输入阻抗呈现容性，从而实现副边整流器零电压开通。
[0026]
本发明的有益效果是：
[0027]
采用本方法提出的高频锁相技术不依赖谐振电流过零检测，可以使用于lcc或者lcl谐振拓扑中，保证有源整流器稳定运行，且硬件电路简单。本发明方法中的高频锁相技术通过硬件电路检测整流器输入电压的占空比，进而反算当前整流器输入电压与电流之间的相位值，作为锁相环的反馈量，实现整流器输入电压对整流器输入电流的同步，并通过控制整流器输入电压的占空比实现对系统输出电压电流的控制。采用本方法提出的高频锁相技术可以实现有源整流器可靠运行，且实现zvs，同时能实现对整流器输出电压电流的控制。
附图说明
[0028]
图1为本发明采用的基于双边lcc补偿网络的无线电能传输系统的结构图。
[0029]
图2为本方法中高频锁相电路的电路图；
[0030]
图3为本发明中高频锁相电路的一种电路图；
[0031]
图4为本发明中提出的高频锁相方法控制框图；
[0032]
图5为本发明中半无桥整流器驱动脉冲与整流器输入电压电流的关系图；
[0033]
图6为本发明实施例中比较器输出电压信号与功率管q1漏源两端电压实验波形图；
[0034]
图7为本发明实施例中实测低通滤波器输出电压与占空比的关系曲线图；
[0035]
图8为本发明实施例中半无桥整流器输入电压电流稳态实验波形图；
[0036]
图9为本发明实施例中实测半无桥功率管驱动波形与整流器输入电压波形图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0038]
本发明用于无线电能传输系统有源整流的锁相方法，采用基于双边lcc补偿网络的无线电能传输系统，如图1所示，无线传输系统与控制系统连接。
[0039]
无线传输系统包括与功率电路依次连接的pfc模块，高频逆变器，谐振网络，高频整流器：高频逆变器由四个功率管组成，每个桥臂由两个功率管串联而成，桥臂中点连接到谐振网络。
[0040]
谐振网络分为原副两边，分别由谐振电容，补偿电感，主线圈构成。谐振网络输出连接到高频整流器的桥臂中点。
[0041]
高频整流器的上半桥臂为二极管，下半桥臂为有源功率管。用于高频整流器锁相的高频锁相电路如图2、图3所示。主要包含分压电路，比较电路，低通滤波电路。具体的高频锁相电路包括依次连接的电阻r1和电阻r2，电阻r1远离电阻r2的一端依次连接电容c1、电容c2、电阻r2远离电阻r1的一端，电阻r1接近电阻r2的一端与电容c1接近电容c2的一端并连接比较器的正向输入端，比较器的负向输入端接地；高频锁相电路通过将电阻r1远离电阻r2的一端和电阻r2远离电阻r1的一端分别接入功率管q1漏源两端进行电压检测；
[0042]
为了消除分压电阻r1,r2中寄生电容对检测的方波信号造成畸变，在分压电阻的两端并联电容，其电阻电容值大小满足以下关系：
[0043]
r1c1＝r2c2ꢀꢀꢀ
(1)
[0044]
高频逆变器将直流电压转为高频交流方波电压，用于激励补偿网络，产生的高频电流流过原边主线圈，从而产生高频电磁场，副边线圈感应出高频电压，从而在副边产生高频电流，然后通过有源整流器将高频电流转为直流电流供负载充电。系统中谐振网络参数满足以下关系
[0045][0046]
其中f0为谐振网络的谐振频率，ω0为谐振网络的谐振频率，；l
rp
与l
rs
分别为原副边补偿电感值，l
p
和ls为主线圈电感值。c
rp
，c
p
，c
rs
与cs为谐振电容值。
[0047]
控制系统主要包含：原副边主控制器，adc采样模块，pwm驱动电路。副边adc采样模块输入端连接副边整流器，输出端连接到副边控制器。副边无线模块与副边控制器相连接，把副边信号传递到原边无线模块。原边无线模块与原边控制器相连，把接收到的副边信息传送给原边控制器。原副边的控制器连接pwm驱动电路输入端，pwm驱动电路输出端连接整流器和逆变器中的功率器件。
[0048]
具体包括以下步骤：
[0049]
步骤1，将控制系统接入基于双边lcc补偿网络的无线电能传输系统；
[0050]
第2步，通过高频锁相电路采样检测副边直流侧的电压电流值与给定参考电压电流指令做差并送入到pid控制器中，pid控制器输出量经过限幅后得到电压占空比指令β
1sref
。再根据公式：
[0051][0052]
得到内环锁相环的参考指令
[0053]
步骤3，通过高频锁相电路检测半无桥下桥臂功率管q1漏源两端电压v
ds
,通过分压电压将电压衰减为一个幅值较小的电压信号v
cg1
,然后将该电压信号接入到比较器输入端去，比较器输出电压信号v
cg2
,然后通过低通滤波电路对电压信号v
cg2
进行滤波得到直流量电压信号v
cg3
。电压信号v
cg3
的幅值大小为当前整流器输入电压占空比大小。通过等式：
[0054][0055]
计算得到当前整流器输入电压与输入电流之间的相位值，该相位值作为反馈值送入锁相环中，与相位参考值做差并把送入到内环相位环的pid控制器中如图4所示。
[0056]
步骤4，相位环pid控制器输出量经过限幅后作为副边主控制器pwm模块中的相位的更新值，进而产生功率管q1的脉冲，功率管q2的驱动脉冲通过对功率管q1的驱动脉冲移相180
°
得到，最终实现相位锁定与输出电压电流的控制。半无桥整流器的驱动脉冲与输入电压电流的关系示意图如图5所示。
[0057]
通过锁相环节实现输入电流i
rs
超前输入电压v
cd
，使得整流器输入阻抗呈现容性，从而实现副边整流器零电压开通。
[0058]
实施例1
[0059]
为了验证本文所提方案的可行性，搭建了一套200w功率的实验平台，实验平台包含高频逆变器，双侧lcc谐振网络，高频整流器。系统直流侧输入电压为80v,系统工作频率为85khz,具体的实验参数列在表1中。
[0060]
表1实验参数
[0061][0062]
为了验证高频锁相电路的精确性，分别测试了比较器输出电压信号与功率管q1漏源两端电压如图6所示，同时测试低通滤波器输出电压与占空比的关系曲线，并对比了理想情况下的理论曲线如图7。通过图6，7可知高频锁相的硬件电路检测精确。副边半无桥整流输入电压电流实验波形与原边逆变器输出电压电流稳态实验波形如图8所示。原副边变换器都实现了zvs运行，副边整流器输入电压下降沿始终与电流负向过零点重合如图9所示。当原副边在耦合系数为0.2，输出功率为126w时，系统效率可达到93.5％。