[发明专利]具有恒流恒压恒频特性的感应电能传输系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及到非接触式感应电能传输技术，具体地说，是一种具有恒流恒压恒频特性的感应电能传输系统的设计方法。

背景技术

感应电能传输（inductively power transfer,IPT）技术是基于电磁感应原理，以电磁场为媒介，利用现代电力电子变换技术、功率电磁场耦合技术和现代控制技术的一种新型、实用、灵活的供电技术。近年已来成为电力电子领域的研究热点之一，并在交通、医疗、石油开采和机器人等领域得到了广泛的应用^]。

在IPT系统设计中，为了提高系统带负载的能力，在负载切入、切出以及变化时，通常要求系统输出给负载的电压近似恒定。而为了提高系统带多个拾取负载的能力，又将要求系统原边谐振电流及系统谐振工作频率近似恒定。为了实现此目标，目前的研究主要集中在针对不同的控制目标分别引入闭环负反馈控制。

如为了保证原边谐振电流恒定，文献[1]提出了在原边逆变侧串联DC/DC变换器对逆变器输入电压进行调节；文献[2]提出能量注入控制方法，通过控制注入谐振网络的能量，来实现谐振电流的幅值控制。为了保证副边输出给负载的电压恒定，文献[3]根据系统的多软开关工作点特性，提出基于软开关工作频率切换模式的功率控制方法，通过控制系统在不同的软开关工作频率点间动态切换，实现对传输功率的控制；文献[4]提出副边谐振网络与不可控整流环节后串接BOOST型DC-DC变换器，实现对输出电压的恒定控制。

在系统软开关谐振工作频率的恒定措施方面，文献[5]提出了基于相控电感的谐振参数在线调谐策略，通过逐周期实时调整相控电感导通角，改变并联在谐振网络上的等效电感值，从而维持系统软开关工作频率恒定。

综上可知，为单纯实现系统的原边谐振电流恒流、输出电压恒压或者系统谐振工作频率恒定，传统的闭环控制策略均能达到较好的效果，但是如果要同时达到上述三个特性，若分别引入闭环控制，则会导致系统结构异常复杂，设计的难度增大，且稳定性降低。因此，一种最好的方法就是通过系统参数的设计来自然满足上述特性，既可简化系统的结构，又可提高系统的可靠性。

上述参考文献：

[1]戴欣，孙跃，等．感应电能传输系统参数辨识与恒流控制[J]．重庆大学学报，2011，34(6)：98-104．

[2]戴欣，孙跃．感应电能传输系统能量注入控制方法研究[J]．电子科技大学学报，2011，40(1)：69-72．

[3]唐春森.非接触电能传输系统软开关工作点研究及应用[D].重庆:重庆大学,2009.

[4]Huang C Y，Boys J T，Covic GA.Practical considerations for designing IPT system for EV Battery Charging[C].IEEE Vehicle power and propulsion conference，Michigan，USA,2009.

[5]孙跃,王智慧,戴欣,等.非接触电能传输系统的频率稳定性研究[J].电工技术学报.2005,20(11):56-59.

发明内容

为了解决上述缺陷，本发明提出一种具有恒流恒压恒频特性的感应电能传输系统的设计方法，通过对系统参数的设计满足原边谐振电流恒流、输出电压恒压并且系统谐振工作频率恒频等特性。

为达到上述目的，本发明的所采用的技术方案如下：

一种具有恒流恒压恒频特性的感应电能传输系统的设计方法，其关键在于按照以下步骤进行：

步骤1：建立感应电能传输系统模型，包括直流电源E_dc、直流电感L_dc、逆变电路、原边谐振电路、副边谐振电路以及负载电路，所述原边谐振电路是由发射线圈L_p和原边电容C_p组成的并联型谐振电路，所述副边谐振电路是由拾取线圈L_s和副边电容C_s组成的串联型谐振电路；

步骤2：确定负载所需最大功率为P₀，额定输出电压为U_ac，负载电路等效电阻为R_eq，设定副边谐振电路的固有频率为ω₀，系统谐振工作频率为ω；

步骤3：选择原边谐振电流I_p；