深圳会议papers中国电源学会第二十一

1、电源学会第二十一届学术年会集SP 型 ICPT 系统负载与互感识别，谢诗云，名(重庆大学自动化学院，重庆 400044）The Load and Mutual Inductance Identification Method of the SP-type Inductively Coupled Power Transfer SystemCHEN LONGSU YUGANGXIE SHIYUNTANG CHUNSENZHAO YU(Automation college of Chongqing University Chongqing 400044)此，为了建立更加高效、可靠、的 ICPT 系统

2、，摘要：负载的识别问题是建立高效、可靠、的感应电能传输（Inductively Coupled Power Transfer, ICPT）系统，以系统负载与互感参数的识别问题亟待解决。，的关键问题。本文SP 型及实现系统最佳效率跟踪系统的高阶非线性使得负载与互感的识别问题成 为一个技术瓶颈。近年来，已有一些文献在互感值固定的情况下 负载识别问题进行了研究13-15。文献16通过切换电容构建两组方程，从而完成对SS 型 ICPT 系统负载与互感的识别。SP 型ICPT 系统的能量接收端由于其并联补偿结构因此可作为电流源，广泛的应用于如电动汽车ICPT 系统，基于反射阻抗分析及能量传递方程推导，建

3、立了互感与负载参数识别模型，给出了通过检测系统稳态运行时的工作频率和线圈电流有效值实现对系统负载以及互感的识别。最后，搭建模型验证了此的可行性以及有效性。：感应电能传输；负载识别；互感识别；反射阻抗1引言近年来，随着无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术的发展，这一种新兴的电能传输方式受到了越来越多的关注1。相比传统电气接触式供电方式，无线电能传输技术具有独特优充电系统等领域17-19。对于电动汽车，其不同的阻抗特性，并且由于其不同的底盘高度、位置而不同的互感，电动汽车的切换将影响其充电系统的性及高效性。因负载切换而引起负载与互感改变的问题，本文基于反射阻抗

4、分析及能量传递方程推导，提出了一种稳态条件下的 SP 型势，可以极大地提高供电的可靠性、便捷性和ICPT 系统负载与互感识别。该仅需要检安全性。目前，感应电能传输（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）技术已成为无线电能传输的主流技术之一2，已广泛应用于电动车充电、充电、生物医电以及照明系统等诸多领域3-12。在 ICPT 系统中，由于耦合线圈之间互感值以及负载值的变化，源自能量接收端（副边电路）的测系统稳态运行时的工作频率和线圈电流有效值即可完成系统负载与互感识别，并且无需额外的附加电路，降低了系统电路复杂性以及难度。文末通过有效性。分析并验证了此的

5、可行性及反射阻抗会在能量发射端（电路）有着相应的2主电路拓扑图 1 给出了 SP 型 ICPT 系统主电路拓扑。变化，使得电路的谐振频率发生漂移，不再与固有工作频率匹配，从而的效率和功率传输能力；当负载或互感变化时，系统需根据当前情况调整能量发射端的模式，实现系统的最佳效率跟踪，负载与互感参数的识别是其关键问题。因基金项目：自然科学基金（51477020）The National Natural Science Foundation of(51477020)871电源学会第二十一届学术年会集IpVD1VD3RpMIpRrRsRpRUpCLpLsCsLUZPrCpVD2VD4LrCpLp图 1

6、SP 型 ICPT 系统主电路拓扑Fig.1The main circuit of a SP-type ICPT system该系统由电路以及副边电路两个图 3能量发射端等效电路图Fig3The equivalent circuit of the primary side由于系统副边部分为并联补偿，因此可以求得反射阻抗 Zr 的虚部表部关管 S1S4分所组成。部高频逆变()电路，两组开关管（S1，S4）及（S2，S3）轮流导w MaC R - L322Im (Z ) =ss通输出方波电压 U ，电容 C 、线圈 L 构(2)()()ppprRa + c R+ 2R R + R + b22222

7、2sss成串联谐振电路；副边部分，副边电容 Cs、副边线圈 Ls副边并联谐振电路，开关管VD1VD4其中以及滤波电容 C副边整流电路，RL 为负载电a = 1 - w2 L Cs s阻。其中，M 为原、副边线圈之间互感，Rp、Rs 分别为电感 Lp、Ls 串联等效电阻。对于 电路，电压源 Edc 通过高频逆变电路后输出方波电压 Up；对于副边电路，带有滤波电容C 的整流电路与负载 RL 并联时可等效为负载 R，等效负载 R 的阻抗由式（1）给出b = wLs(3)c = wCs通过上式可以看出，反射阻抗的虚部不可忽视，故可将反射阻抗 Zr 表示为= Re(Z ) + Im(Z ) = R+ j

8、wLZ(4)rrrrrR = 8/ 2 R » 0.81R(1)LL此外，系统工作在软开关工作条件下，输出方波电压有效值 Up 可表示为20因此可得到主电路的等效电路，如图 2。4U =E(5)pdcRp2pRsIpIsUp3.2负载与互感参数识别模型运行时，考虑到系统LpLsCsR电路工作在谐Cp振条件下，无功能量在电场能量以及磁场能量中不断转换，并不产生能量耗散。并且，当电感储图 2 SP 型 ICPT 系统等效电路图Fig.2The equivalent circuit of SP-type ICPT system存最大能量时，电容中无储能，反之亦然。因电容中的最大能量相等，此

9、，即电感与其中，Ip 为谐振电流。线圈谐振电流，Is 为副边线圈2Uc1/ wCp(wLr + wLp ) I p =3 ICPT 系统负载与互感识别3.1 能量发射端等效电路2(6)其中，Ip、Up 分别为流经线圈 Lp 电流以及在 ICPT 系统中，由于间的耦合，因此在发射端电对于图 2 中 ICPT 系统的线圈和副边线圈之反射阻抗 Zr。谐振电路，考虑到反谐振电容 Cp 两端电压的有效值。系统在软开关工作条件下，电路电压及电流无相位差，部 Rr 以及电路可视为纯阻性，因此反射阻线圈串联等效电阻 Rs 耗散功率射阻抗后可得到如下等效模型。即为系统输入功率872S1S2Edc S3S4电源学

10、会第二十一届学术年会集()()( Rs )Ra + c R+ 2R R + R + b222 222+ R I 2 = U I(7)sssw2M 2 =× Lrpp praC R2 - Lss由式(6)、(7)，可以分别获得反射阻抗 Z 虚部(16)()()rRa + c R+ 2R R + R + b222 222æö1sss=× ç- L ÷wLr 以及实部 Rr 的表ç w2Cp ÷aC R2 - Lèøssp对于系统而言，Cp，Lp，Ls，Cs，Rs 均为1= w2C- LpLr(8)已

11、知参数。观察式（15）、（16）可以发现，仅需要p检测线圈电流Ip 以及系统运行频率 即可得到关于互感值 M 以及等效负载值 R 的二元方程组，从而获得系统的负载与互感识别结果。UpR =- R(9)rsIp4与分析以下从能量的角度构建系统负载与互感参数识别模型。系统电路中，反射阻抗 Zr 耗散的功率可以表达如下式为了验证本文提出的负载与互感识别，基模型，其于/Simulink平台建立系统中原、副边谐振回路的主要参数由表 1 给出。P = (ReZ ) I2(10)rp表 1 ICPT 系统参数Tab.1Parameters of ICPT System因此可以得到系统个周期 T 内消耗的能量

12、电路中反射阻抗在一参数值W = t0 +T Pdt =t0 +T (ReZ) Iòtòt电感 Lp补偿电容 Cp电感等效串联电阻 Rp副边电感 Ls副边补偿电容 Cs155H0.4F0.3354H0.18F0.52dt = I 2 R T(11)rrppr00另外，副边并联谐振电路阻抗 Zs 的表为R (c2 R2 + 1) + Rj × b - acR2sZ =+(12)sc2 R2 + 1c2 R2 + 1副边电感等效串联电阻 Rs图4 给出了模型中所采用的负载与互感识同样地，可以推导得到副边电路在一个周期 T内消耗的能量别结构图。其检测部分谐振电流频率检测单

13、元、谐振电流有效值采样单元以及谐振电流过零æ wMi (t) ö2t0 +T çRe (Z )dtòtpW =÷采样单元。负载与互感识别部分负载与互ç÷ssZsèø0感识别单元和频率调节单元两部分，负载与互感识(13)ö2æ wMI别单元根据回路电流有效值以及工作频率建Re (Zs )T= çp ÷Zs立阻抗方程，求取系统负载与互感参数；频率调节èø单元根据电流过零采样工作频率。稳态运行时，电路反射阻抗耗散的能量即为副边电路耗散的能量21Wr =

14、 Ws Edc (14)至此，由公式（11）、（13）、（14）可推导出负载与互感R ML22æ Uöip(t)ZZw2M 2 = s× R= s× ç p - R(15)÷rsRe ZsRe ZsI pèø另外，由式（2）、（8）可以得到图 4 负载与互感识别结构图Fig.4The structure diagram of the proposed identification method基于上文所给出的系统负载与互感识别，873有效值检测电流检测单元频率检测识别过零点检测频率调节模块逆变器电源学会第二十一届学

15、术年会集分别在负载固定，互感值变化以及互感值固定，负载变化的情况下进行了 5 组。表 2 给出了当互感值固定为 23H 的情况下， 负载电阻值从 10 变化至 50 的系统负载与互感识别 结果。表 2 负载 RL 变化情况下的系统负载与互感识别结果Tab.2The parameters detection results when RL variesRL/RL 识别结果/M 识别结果/H102030405010.4419.5228.8141.7951.0722.9024.0823.8222.7222.71图 5 负载变化情况下的识别精度The detection accuracy when R

16、L varies互感值变化的负载与互感识别结果由表 3 给出。其中，互感值由 13H 变换至 47H，负载电阻值固定为 25。表 3 互感 M 变化情况下的系统负载与互感识别结果Tab.3The parameters detection results when M variesFig.5M/HRL 识别结果/M 识别结果/H131923364724.8226.4926.1025.9125.4413.4218.7222.6835.5846.43表 2 中，互感固定为 23H 的情况下得到的负载 RL 识别结果最大误差率为 4.40%，互感 M 识别结果最大误差率为 3.57%；表 3 中，负载

17、固定为 25图 6 互感变化情况下的识别精度The detection accuracy when M varies的情况下得到的负载 RL 识别结果最大误差率为5.16%，互感 M 识别结果最大误差率为 3.32%。为了直观地表明负载与互感识别精度，图 5、6分别给出了固定互感，负载变化以及固定负载，互感变化情况下的识别精度分布图。Fig.65结论ICPT系统运行中负载与互感的改变将统性及高效性，为了降低系统难度，提升系统性能，本文提出了一种稳态条件下的SP型感应通过可以发现，本文提出的识别电能无线传输系统负载与互感识别。该从可以完成系统负载以及互感的识别，并且具有一定精度。值得注意的是，系

18、统起步运行至工作在稳态能量角度构建负载与互感参数识别模型，仅需要检测系统稳态运行时的工作频率和线圈电流有电流ip 有效值是在时刻变化的，电流有效值并不能有效地完成这一段时间内此时采样得到效值即可完成系统负载与互感识别，而无需额外的附加电路。文末通过搭建模型，验证并分析了负载与互感识别。因此，上述识别态运行时才能完成。需在系统稳此的可行性及有效性。874电源学会第二十一届学术年会集参考文献IEEETranionsonPowerElectronics,1, 谭, 陈中等. 无线电能传输技术研究与应2015,30(3):1657-166714 Zhi-hui W, Yu-Peng L, Yue S,

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