基于頻率分岔特性的ipt系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及感應(yīng)電能傳輸（IPT)領(lǐng)域，具體涉及一種基于頻率分岔特性的IPT系 統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 感應(yīng)電能傳輸技術(shù)，簡稱為IPT技術(shù)，是一種基于電磁場近場松耦合感應(yīng)原理， 綜合利用電力電子變換技術(shù)、磁場耦合技術(shù)以及控制理論，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備以非導(dǎo)線接觸方 式從電網(wǎng)獲取能量的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于城市電氣化軌道交通、純電動(dòng)汽車、易燃易爆等特殊 環(huán)境移動(dòng)電氣設(shè)備、新能源發(fā)電、石油鉆探、無尾家電以及生物體內(nèi)植電氣設(shè)備等領(lǐng)域。
[0003] 如圖1所示，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，IPT系統(tǒng)包括原邊和副邊兩個(gè)部分，原邊通過諧振 變換器在發(fā)射線圈上產(chǎn)生高頻交變電流，副邊能量接收線圈上感應(yīng)到的電能經(jīng)無功補(bǔ)償和 能量變換后輸出給負(fù)載。結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性導(dǎo)致系統(tǒng)呈現(xiàn)出典型的高階非線性特性， 從而引起復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，增加了系統(tǒng)建模分析與控制的難度。
[0004] IPT系統(tǒng)基本無功補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)補(bǔ)償電容位置的不同可分為原邊串聯(lián)副邊串 聯(lián)補(bǔ)償（下文簡稱SS型拓?fù)洌⒃叴?lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償并聯(lián)（下文簡稱SP型拓?fù)洌?、原?并聯(lián)副邊串聯(lián)補(bǔ)償下文簡稱PS型拓?fù)洌?、原邊并?lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償（下文簡稱PP型拓?fù)洌┧?種基本無功補(bǔ)償拓?fù)洹?br>[0005] IPT系統(tǒng)通常有兩種常見的控制策略，即定頻控制和浮頻控制：
[0006] ①定頻控制
[0007] 定頻模式下，控制器主動(dòng)發(fā)出一定頻的脈沖信號控制逆變器的切換，系統(tǒng)在該頻 率下作強(qiáng)迫振蕩。系統(tǒng)開關(guān)頻率固定，不隨參數(shù)變化而變化，因此，在負(fù)載切換或者參數(shù)漂 移時(shí)，系統(tǒng)很容易進(jìn)入硬開關(guān)工作狀態(tài)，引起較大的開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI)，不利于系 統(tǒng)長期穩(wěn)定工作。
[0008] ②浮頻控制
[0009] 浮頻控制下，控制器根據(jù)反饋電壓或電流的過零信號實(shí)時(shí)控制逆變器的切換，系 統(tǒng)開關(guān)頻率跟蹤諧振頻率，每次開關(guān)諧振電壓或者電流過零時(shí)切換開關(guān)管，可以保證系統(tǒng) 總工作在軟開關(guān)狀態(tài)，因此浮頻模式相對于定頻模式具有更好的參數(shù)自適應(yīng)能力。但是浮 頻控制也存在一些局限性：結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要檢測、變送及控制環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)的可靠 性；不能工作在不穩(wěn)定的軟開關(guān)工作點(diǎn)，在頻率分岔區(qū)可能發(fā)生頻率跳變；對控制電路的 響應(yīng)速度要求比較高，存在延遲的話會導(dǎo)致系統(tǒng)工作在硬開關(guān)狀態(tài)下；如果失諧可能會給 系統(tǒng)帶來很大的損害，因此一般用于功率較小的系統(tǒng)。
[0010] 文獻(xiàn)研究表明，在IPT系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)如互感、原副邊諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以及負(fù)載 阻抗等發(fā)生變化，都可能引起系統(tǒng)諧振頻率的分岔。其中最為常見的分岔為靜態(tài)分岔，靜態(tài) 分岔指的是平衡點(diǎn)的數(shù)目和穩(wěn)定性隨參數(shù)變化而發(fā)生突然的變化，其中最常見的是叉形分 岔，叉形分岔的標(biāo)準(zhǔn)圖形如圖2所示，頻率在分岔處是連續(xù)的，且存在一段頻率不變區(qū)域。
[0011] 如果能使IPT系統(tǒng)軟開關(guān)頻率始終工作在這一頻率不變區(qū)域內(nèi)，IPT系統(tǒng)的工作 穩(wěn)定性將得到極大的提高。
[0012] 但不是所有的叉形分岔都是如圖2這般標(biāo)準(zhǔn)，很多時(shí)候軟開關(guān)頻率在分岔處是非 連續(xù)的，并且沒有頻率不變區(qū)域，如圖3所示。因此研究一種優(yōu)化IPT系統(tǒng)控制參數(shù)的方法 使得IPT系統(tǒng)的系統(tǒng)軟開關(guān)頻率呈標(biāo)準(zhǔn)的叉形分岔顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于頻率分岔特 性的IPT系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法，能使得IPT系統(tǒng)軟開關(guān)頻率分岔圖呈標(biāo)準(zhǔn)叉形分岔圖，使得在 該IPT系統(tǒng)的負(fù)載&變化時(shí)，其軟開關(guān)頻率有較好的頻率穩(wěn)定性，進(jìn)而使得IPT系統(tǒng)工作 在穩(wěn)定的軟開關(guān)頻率下。
[0014] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于頻率分岔特性的IPT系統(tǒng)參 數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：
[0015] S1，根據(jù)實(shí)際要求建立IPT系統(tǒng)模型，設(shè)定該系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率f、原邊電感值Ld 和副邊電感值Ls;
[0016] S2,根據(jù)設(shè)定的軟開關(guān)頻率f、原邊電感值Ld和副邊電感值L s，選取副邊諧振補(bǔ)償 電容Cs的值；
[0017] S3,基于交流阻抗分析法計(jì)算得到原邊補(bǔ)償電容初始值
[0018] S4,根據(jù)所建立的IPT系統(tǒng)中原邊電感值Ld、副邊電感值Ls、副邊諧振補(bǔ)償電容Cs 和原邊補(bǔ)償電容初始值C；：進(jìn)行仿真，得到該IPT系統(tǒng)的初步軟開關(guān)頻率分岔圖；
[0019] S5,保持原邊電感值Ld、副邊電感值Ls和副邊諧振補(bǔ)償電容Cs不變，在原邊補(bǔ)償電 容初始值Cf附近取原邊補(bǔ)償電容試探值，并通過頻閃映射建模及計(jì)算機(jī)仿真得到該原邊 補(bǔ)償電容試探值下的簡單軟開關(guān)頻率分岔圖，直到該簡單軟開關(guān)頻率分岔圖呈標(biāo)準(zhǔn)叉形分 岔圖時(shí)，將此時(shí)的原邊補(bǔ)償電容試探值作為原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值Cp。
[0020] 通過交流阻抗分析法得到原邊補(bǔ)償電容初始值，其中SS型拓?fù)銲PT系統(tǒng)、PS 型拓?fù)銲PT系統(tǒng)、SP型拓?fù)銲PT系統(tǒng)和PP型拓?fù)涓鲗?yīng)不同的原邊補(bǔ)償電容初始值 這四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IPT系統(tǒng)的原邊補(bǔ)償電容初始值0均可采用已知的交流阻抗分析法計(jì) 算得到，然后再根據(jù)迭代運(yùn)算及計(jì)算機(jī)仿真得到原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值Cp，使得該IPT系統(tǒng)的 簡單軟開關(guān)頻率分岔圖為標(biāo)準(zhǔn)叉形分岔圖，即存在頻率不變區(qū)域，如此，只要保證該IPT系 統(tǒng)的負(fù)載&不超過在頻率不變區(qū)域的負(fù)載范圍，即可保證該IPT系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率保持不 變。該優(yōu)化方法簡單、直接、有效，能快速的得到原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值c p。
[0021] 進(jìn)一步的，本方法還包括步驟S6,對參數(shù)優(yōu)化過的IPT系統(tǒng)進(jìn)行頻閃映射建模，畫 出完整精細(xì)的軟開關(guān)頻率分岔圖，進(jìn)行驗(yàn)證原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值C p是否使得該IPT系統(tǒng)軟 開關(guān)頻率分岔圖符合標(biāo)準(zhǔn)叉形分岔圖要求，如果符合，則設(shè)計(jì)完成，如果不符合，重復(fù)執(zhí)行 步驟S5,直到原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值C p符合要求為止。
[0022] 保證了原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值Cp的準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步的提升了 IPT系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。
[0023] 進(jìn)一步的，該IPT系統(tǒng)為SS型拓?fù)銲PT系統(tǒng)時(shí)，所述步驟S3包括以下步驟：
[0024] S3-1，對IPT系統(tǒng)用阻抗分析法進(jìn)行分析，
[0025] 得副邊總阻抗為
的亥IPT系統(tǒng)的負(fù)載，ω為該IPT系 統(tǒng)工作的角頻率；
[0026] 等效到原邊的副邊反射阻抗為：
[0027] 系統(tǒng)總阻抗為：+ +1+? Rp為原邊電感和線路的阻抗； " %
[0028] S3-2,當(dāng)實(shí)現(xiàn)功率的最大傳輸時(shí)，IPT系統(tǒng)副邊處于完全諧振模式下，系統(tǒng)的固有 諧振頻率
[0029] S3-3,令系統(tǒng)總阻抗虛部為0,得到原邊補(bǔ)償電容粗略
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[0030] S3-4,由步驟S3-2和步驟S3-3中兩式得到原邊補(bǔ)償電容粗略值C；! ; L:P
[0031] 對SS型拓?fù)銲PT系統(tǒng)，該原邊補(bǔ)償電容粗略值?：的計(jì)算方法，簡單有效，而且準(zhǔn) 確性高。
[0032] 進(jìn)一步的，所述步驟S5包括以下步驟：
[0033] S5-1，保持原邊電感值Ld、副邊電感值Ls和副邊諧振補(bǔ)償電容C s不變；
[0034] S5-2,根據(jù)初步軟開關(guān)頻率分岔圖的分岔類型調(diào)整得到原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值Cp的 取值范圍，通過頻閃映射建模，并將該取值范圍內(nèi)的任意值作為原邊補(bǔ)償電容試探值代入 該模型中，進(jìn)行仿真得到簡單軟開關(guān)頻率分岔圖，如果所得到的簡單軟開關(guān)頻率分岔圖為 標(biāo)準(zhǔn)叉形分岔圖，那么此時(shí)的原邊補(bǔ)償電容試探值即為原邊補(bǔ)償電容優(yōu)化值C p，如果所得 到的簡單軟開關(guān)頻率分岔圖為非標(biāo)準(zhǔn)叉形分岔圖，則執(zhí)行步驟S5-3 ;
[0035] S5-3,通過重復(fù)步驟S5-2計(jì)算軟開關(guān)頻率分岔圖，進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，直到簡