一种基于广义占空比的水下无线充电控制方法

技术领域

本发明涉及了一种水下无线充电控制方法，具体涉及一种基于广义占空比的水下无线充电控制方法。

背景技术

水下自主航行器AUV被广泛应用于资源勘探、军事部署中。经历多年的发展，AUV的性能已经得到了显著的提高，但传统的供电方式仍然限制会AUV的使用，供电问题已成为影响其性能的关键因素。传统的供电方法主要包括两种技术，即更换电池供电、湿插拔接头充电。然而，前者需要手动操作，自动化程度低，隐蔽性不够，长时间工作甚至可能影响AUV的密封性能。后者需要使用高精度水下湿式插接器作为对接电源。设备存在安全性差、寿命短、维护复杂等缺点。为了解决AUV的能源供应问题，水下无线充电(UWPT)正在成为一种新型的水下能量传输方法。

锂离子电池因其寿命长和可靠性高的优点，被广泛用于AUV中。要给锂离子电池充电，至少有两个阶段，即恒流充电和恒压充电，所以要求系统可以实现恒流输出、恒压输出。此外，不同的锂离子电池在进行恒流充电、恒压充电时，往往要求不同的恒定电流、恒定电压。现有的实现恒流、恒压输出方法有：增加补偿网络、增加后端变换器、增加有源桥等，这些方法存在电路拓扑复杂、输入阻抗难以实现零相角的问题。而现有的实现恒流、恒压输出可调的方法如移相控制，存在调节范围有限、难以实现软开关的缺点。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于广义占空比的水下无线充电控制方法。本发明实现宽范围恒压输出、恒流输出的方法，在不增加额外后级电路的情况下，实现宽范围的两级输出模式，即恒流输出模式、恒压输出模式。此外，采用本发明的方法，逆变电路在工作过程中，可以实现软开关操作，提高了系统工作的效率。

本发明采用的技术方案是：

本发明水下无线充电控制方法包括如下步骤：

步骤一：确定水下无线充电系统中的补偿网络的类型；根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率；补偿网络也称为谐振网络。

步骤二：当需要恒流输出时，将水下无线充电系统的工作频率维持在恒流输出频率；当需要恒压输出时，将水下无线充电系统的工作频率维持在恒压输出频率；在水下无线充电系统工作时，以调节广义占空比方法控制水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的基波有效值，进而调节水下无线充电系统的逆变电路的输出电压，从而实现对水下无线充电的控制。

所述的步骤一中，水下无线充电系统包括逆变电路、补偿网络、整流电路和滤波电路，补偿网络包括原边补偿网络、副边补偿网络和线圈；确定水下无线充电系统中的补偿网络的类型，具体为当补偿网络的原边补偿网络和副边补偿网络中的电感和电容均为一个时，补偿网络为低阶网络；当补偿网络的原边补偿网络或副边补偿网络中的电感和电容为多个时，补偿网络为高阶网络。

所述的步骤一中，根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，当补偿网络为高阶网络时，通过高阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，具体如下：

当补偿网络为高阶网络时，补偿网络包括7型谐振网络和T型谐振网络，首先计算获取补偿网络的谐振条件和输出特性，具体如下：

Z

Z

其中，Z

补偿网络的谐振条件包括Z

根据补偿网络在输出特性下的谐振条件获得7型谐振网络和T型谐振网络的谐振频率，根据水下无线充电系统输入阻抗Z

所述的步骤一中，根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，当补偿网络为低阶网络时，通过低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，具体如下：

当补偿网络为低阶网络，补偿网络具体为SS型补偿网络时，首先计算获取补偿网络的输出特性，具体如下：

其中，G

补偿网络实现恒流输出和恒压输出时分别满足以下条件：

ω

ω

补偿网络的输出特征包括补偿网络的输出电流增益G

对补偿网络进行正弦稳态分析，各电压、电流变量均为电压、电流的相量形式。由于原边线圈的寄生电阻R

所述的补偿网络的输出电流

其中，Z

所述的水下无线充电系统的恒流输出频率具体如下：

ω

将水下无线充电系统的工作频率ω

所述的水下无线充电系统的恒压输出频率具体如下：

ω

其中，ω

所述的步骤二中，在水下无线充电系统工作时，逆变电路的超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角恒定为180°，水下无线充电系统在工作时的一个大周期T内包括N个连续的小周期，逆变电路在大周期T内的D个连续的小周期内为正常输出的工作状态，在剩下的N-D个连续的小周期内为输出为零的工作状态，水下无线充电系统的逆变电路在正常输出的工作状态下时逆变电路的输出电压U

其中，u

u

所述的逆变电路在大周期T内均为正常输出的工作状态下的傅里叶级数余弦分量系数

其中，u

u

所述的步骤二中，水下无线充电系统的逆变电路输出电压的基波有效值U

其中，U

逆变电路的输出电压的基波有效值U

其中，U

逆变电路在大周期T内均为正常输出的工作状态下的逆变电路输出电压的基波有效值U

在水下无线充电系统工作时，以调节广义占空比方法控制水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的基波有效值，即通过改变逆变电路在大周期T内的小周期的总个数N和逆变电路在大周期T内的正常输出的工作状态的连续的小周期的个数D，实现对逆变电路输出电压的基波有效值U

本发明的有益效果是：

本发明方法可以在不增加额外电路的情况下，实现宽范围可调的两级输出模式，即恒流输出模式、恒压输出模式。此外，本发明方法的逆变电路在工作过程中，可以实现软开关操作，提高了系统的效率。

附图说明

图1为水下无线充电系统示意图；

图2为水下无线充电系统电池充电过程中电压、电流波形图；

图3的(a)为T型谐振网络示意图；

图3的(b)为7型谐振网络示意图；

图4为确定补偿网络恒流输出频率、恒压输出频率的流程图；

图5为采用SS型补偿拓扑的水下无线充电系统；

图6为SS型补偿网络分析电路谐振网络分析电路；

图7为广义占空比调节示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。

本发明水下无线充电控制方法包括如下步骤：

步骤一：确定水下无线充电系统中的补偿网络的类型；根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率；补偿网络也称为谐振网络。

步骤一中，水下无线充电系统包括逆变电路、补偿网络、整流电路和滤波电路，补偿网络包括原边补偿网络、副边补偿网络和线圈；确定水下无线充电系统中的补偿网络的类型，具体为当补偿网络的原边补偿网络和副边补偿网络中的电感和电容均为一个时，补偿网络为低阶网络；当补偿网络的原边补偿网络或副边补偿网络中的电感和电容为多个时，补偿网络为高阶网络。

步骤一中，根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，当补偿网络为高阶网络时，通过高阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，具体如下：

当补偿网络为高阶网络时，补偿网络包括7型谐振网络和T型谐振网络，首先计算获取补偿网络的谐振条件和输出特性，具体如下：

Z

Z

其中，Z

补偿网络的谐振条件包括Z

根据补偿网络在输出特性下的谐振条件获得7型谐振网络和T型谐振网络的谐振频率，根据水下无线充电系统输入阻抗Z

步骤一中，根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，当补偿网络为低阶网络时，通过低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，具体如下：

当补偿网络为低阶网络，补偿网络具体为SS型补偿网络时，首先计算获取补偿网络的输出特性，具体如下：

其中，G

补偿网络实现恒流输出和恒压输出时分别满足以下条件：

ω

ω

补偿网络的输出特征包括补偿网络的输出电流增益G

对补偿网络进行正弦稳态分析，各电压、电流变量均为电压、电流的相量形式。由于原边线圈的寄生电阻R

补偿网络的输出电流

其中，Z

水下无线充电系统的恒流输出频率具体如下：

ω

将水下无线充电系统的工作频率ω

水下无线充电系统的恒压输出频率具体如下：

ω

其中，ω

步骤二：当需要恒流输出时，将水下无线充电系统的工作频率维持在恒流输出频率；当需要恒压输出时，将水下无线充电系统的工作频率维持在恒压输出频率；在水下无线充电系统工作时，以调节广义占空比方法控制水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的基波有效值，进而调节水下无线充电系统的逆变电路的输出电压，从而实现对水下无线充电的控制。

步骤二中，在水下无线充电系统工作时，逆变电路的超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角恒定为180°，水下无线充电系统在工作时的一个大周期T内包括N个连续的小周期，逆变电路在大周期T内的D个连续的小周期内为正常输出的工作状态，在剩下的N-D个连续的小周期内为输出为零的工作状态，水下无线充电系统的逆变电路在正常输出的工作状态下时逆变电路的输出电压U

其中，u

u

逆变电路在大周期T内均为正常输出的工作状态下的傅里叶级数余弦分量系数

其中，u

u

步骤二中，水下无线充电系统的逆变电路输出电压的基波有效值U

其中，U

逆变电路的输出电压的基波有效值U

其中，U

逆变电路在大周期T内均为正常输出的工作状态下的逆变电路输出电压的基波有效值U

在水下无线充电系统工作时，以调节广义占空比方法控制水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的基波有效值，即通过改变逆变电路在大周期T内的小周期的总个数N和逆变电路在大周期T内的正常输出的工作状态的连续的小周期的个数D，实现对逆变电路输出电压的基波有效值U

如图1和图2所示，水下无线充电系统向水下自主航行器AUV的电池组充电的过程中，水下自主航行器AUV的电池组两端的电压u

如图3的(a)和(b)所示，分别为T型谐振网络与7型谐振网络，当电路中的阻抗满足一定条件时，T型谐振网络将具有输出电压与负载无关的特性，而7型谐振网络将具有输出电流与负载无关的特性；U

如图4所示，为确定补偿网络恒流输出频率、恒压输出频率的流程图，为了得到补偿网络实现恒流输出、恒压输出的条件，需要先判断系统谐振网络类型，确定网络是高阶网络还是低阶网络。然后对高阶网络、低阶网络分别采用不同的方法来确定恒流、恒压输出频率。高阶网络分析过程为：首先系统补偿网络包括7型、T型谐振网络；其次根据7型、T型谐振网络的谐振条件、输出特性推出高阶补偿网络的谐振条件、输出特性；之后根据谐振条件得到谐振频率；最后根据输入阻抗零相角条件，筛选谐振频率。低阶网络分析过程为：首先求出输出电压、输出电流增益；其次根据输出电压、输出电流增益求出补偿网络的谐振条件、输出特性；之后根据谐振条件得到谐振频率；最后根据输入阻抗零相角条件，筛选谐振频率。

如图5所示，为采用SS型补偿拓扑的水下无线充电系统，与图1相比，图5具体确定了水下无线充电系统的各个模块。此时的系统包括逆变电路101、原边补偿网络102、线圈103、副边补偿网络104、整流电路105、滤波电路106和补偿网络107。Q

如图6所示，为SS型补偿网络分析电路，为了分析谐振网络的输出特性，需要对谐振网络进行正弦稳态分析，即公式中的各电压、电流均为相量形式。由基尔霍夫电压定律，可求出输出电压增益、输出电流增益。之后，再根据输出电压增益、输出电流增益，分别求出谐振网络能够输出与负载无关的恒定电压的条件、能够输出与负载无关的恒定电流的条件。根据上述两个条件，得到多个固定的谐振频率，从中选定两个合适的谐振频率，使谐振网络工作在这两个频率时分别实现恒流输出、恒压输出。

如图7所示，为广义占空比调节示意图，此时，逆变电路超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角恒定为180°，且逆变电路的工作频率不变，也就是说，当需要恒流输出时，工作频率维持在w

本发明方法对水下无线充电系统的谐振网络进行分析，根据输出电压增益、输出电流增益，分别求出谐振网络能够输出与负载无关的恒定电压的条件、能够输出与负载无关的恒定电流的条件。根据上述两个条件，得到多个固定的谐振频率，从中选定两个合适的谐振频率，使谐振网络工作在这两个频率时分别实现恒流输出、恒压输出。之后，通过对逆变电路进行所提出的广义占空比的调节，实现宽范围的恒压输出、恒流输出。