一种WPT系统接收端恒压控制方法、设备和介质

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其是涉及一种WPT系统接收端恒压控制方法、设备和介质。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术借助空间中的能量载体(如电场、磁场、微波等)，将电能由电源侧传递到负载侧，是一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统拔插系统存在的接触火花和漏电等安全问题。目前，该技术已被广泛应用于人体植入医疗设备、电动汽车、水下设备等领域。WPT有四种基本补偿结构，包括串联-串联型(SS)、串联-并联型(SP)、并联-并联型(PP)和并联-串联型(PS)，其中，串联-串联型(SS)拓扑构型具有结构简单、成本低廉的优点，能够承受较大范围的频率波动，可作为电动汽车磁耦合谐振电路的最优补偿电路。

WPT系统中，当负载改变时，系统的传输特性会随之变化，从而导致无线供电接收端的电压发生明显变化。目前，无线电能传输系统控制方式通常有以下几种方案：对系统工作频率进行调频，对发射端或接收端增加DC/DC环节，谐振网络参数调控以及对发射端逆变器进行移相。但若采用对系统工作频率加以控制，无线电能传输系统则难以工作在谐振的频率上，会大幅降低系统传输效率，并有可能出现频率分离；DC/DC对控制要求低，但需要重新设计发射端或接收端电路并增加元器件；谐振网络参数调控相对复杂，补偿电容或补偿电感的投切无法满足调控的精度要求；对发射端逆变进行移相控制虽然不用额外增加元器件，但控制参数计算相对复杂，需要大量精确计算以保证移相角度的准确。因此，需要针对SS拓扑的WPT系统设计一种WPT系统接收端恒压控制方法，提高WPT系统的传输效率和稳定性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种WPT系统接收端恒压控制方法、设备和介质，提高WPT系统的传输效率和稳定性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种WPT系统接收端恒压控制方法，适用于包括发射端和接收端的SS拓扑型WPT系统，所述接收端电压与所述发射端电流正相关，通过PWM脉冲发生器控制所述发射端全桥逆变电路中每个桥臂的晶闸管的导通或关断，进而控制所述全桥逆变电路输出的电压以维持所述发射端电流恒定，最终实现所述接收端电压恒定，所述PWM脉冲发生器的输入为PI控制器基于所述发射端实时电流输出的占空比信号。

进一步地，所述占空比信号的获取方式如下：

S1、设定目标电流值，采集实时的发射端电流，计算二者的差值；

S2、将发射端实时电流与所述目标电流值的差值输入PI控制器，得到发送至各PWM脉冲发生器的占空比信号。

进一步地，步骤S1中，求取所述发射侧电流的均方根后，再计算其与所述目标电流值的差值。

进一步地，步骤S2中，所述占空比信号进行限幅处理后再发送至各PWM脉冲发生器。

进一步地，对各PWM脉冲发生器设置死区时间。

进一步地，所述全桥逆变电路中，相邻两个桥臂对应的PWM脉冲发生器的初始波形互补。

进一步地，所述全桥逆变电路中，相邻两个桥臂对应的PWM脉冲发生器的初始波形存在半个周期的相位延迟。

进一步地，所述晶闸管为MOSFET。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，以及存储于所述存储器中的程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过PWM脉冲发生器控制SS拓扑型WPT系统发射端中全桥逆变电路各桥臂晶闸管的导通或关断，进而控制全桥逆变电路输出的电压以维持发射端电流恒定，实现接收端电压恒定，其中，PWM脉冲发生器的输入为PI控制器基于发射端实时电流输出的占空比信号，基于本发明方法，SS拓扑型WPT系统可以避免负载改变导致的接收端电压突变，高效、稳定地实现无线电能传输。

2、本发明中，占空比信号进行限幅处理后再发送至各PWM脉冲发生器，并对各PWM脉冲发生器设置死区时间，避免MOSFET上下管同时导通而导致短路，使得高频逆变失败，提高了无线电能传输的稳定性。

附图说明

图1为本发明控制部分和SS拓扑型WPT系统发射端的结构示意图，

其中I1为发射端输入电流，IP为设定目标电流，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4分别为开关V1、V2、V3、V4对应的PWM脉冲发生器，V

图2为SS拓扑型WPT系统的结构示意图，

其中U

图3为SS拓扑型WPT系统仿真电路图；

图4为各PWM脉冲发生器初始波形；

图5为负载跳变时仿真实验图，

其中(5a)为接收端电压波形，(5b)为发射端电流波形；

图6为负载断路时仿真实验图，

其中(6a)为接收端电压波形，(6b)为发射端电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例：

本实施例提供一种WPT系统接收端恒压控制方法，适用于如图2所示的SS拓扑型WPT系统。SS拓扑型WPT系统包括发射端和接收端，发射端包括全桥逆变电路和串联谐振回路，全桥逆变电路中每个桥臂为一组并联的MOSFET和续流二极管，串联谐振回路与所述全桥逆变电路首尾相连，包括串联的电感和电容。对SS拓扑列写KVL方程可得：

其中为，

令

由式(2)可知，发射端电源电压相量

由式(2)、(3)可知发射端和接收端电流相量

发射端和接收端电流向量

接收端电压

联立式(4)、(5)、(6)、(7)可获得接收端电压与发射端电流相量的关系为：

由式(8)可知，在系统正常工作状态下，即线圈之间的互感M，接收端总阻抗Z

对于一般的非正弦周期的电压、电流信号都可以用一个周期函数f(t)来表示，即

f(t)＝f(t+kT)(9)

(9)式中T为周期函数f(t)的周期，k＝0,1,2,3.....，若该非周期性函数满足在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点而且极值点数有限并周期内可积，可对这个周期性函数进行傅里叶展开获得：

式(10)中A

式(11)中，a为直流分量，A

由式(4)、(8)、(12)可知，可以通过PWM调节输入逆变桥的方波的占空比D来改变发射端逆变桥输出的电压，进而维持发射端电流相量

步骤一、设定目标电流值I

如图1所示，由于采集的发射端电流

步骤二、将发射端电流与目标电流值的差值输入PI控制器，得到占空比信号并发送至各PWM脉冲发生器。

占空比信号需进行限幅处理后，再发送至各PWM脉冲发生器。如图1所示，PI控制器输出的信号除以100换算成小数形式即PWM即时所需的占空比，再经过限幅模块限制其数值范围为0到0.5范围内(若超过0.5，则会导致MOSFET的上下管同时导通而导致短路，使得高频逆变失败)。

步骤三、根据PWM脉冲发生器的输出信号控制各晶闸管的导通或关断，进而控制全桥逆变电路输出的电压以维持发射端电流恒定，最终实现接收端电压恒定。

将PI调控后并限幅输出的占空比信号作为PWM脉冲发生器的输入，所有脉冲发生器工作频率均为85kHz。

为了防止逆变桥上下管同时导通，需要对各PWM脉冲发生器的始波形做出一定限制。如图4所示，以PWM1的波形作为其他PWM波形的控制基础，无初始相位延迟。其中，PWM1的波形与其下管PWM3的波形互补，PWM4初始相位与PWM1相同，PWM2与PWM3初始相位均延迟于PWM1半个周期，且PWM2与PWM4的波形互补。所有PWM发生器均加入了一定死区时间，防止MOSFET上下管同时导通。开始使用本发明方法进行调节控制后，各PWM的占空比就交由PI控制器的输出控制，相位延迟保持初始状态不做改变，从而实现发射端恒流的效果。

为验证本发明方法的有效性，搭建如图3所示的仿真电路进行实验。在仿真实验中设置对照组，即不对逆变器的输入PWM波形加以控制，PWM1-PWM4波形发生器均由MATLAB自带模块Pulse Generator所产生，其占空比均设置为50％，其余系统元器件参数均与图1搭建的仿真模型相同。设置接收端负载R

设置接收端负载R

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。