[发明专利]基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及感应电能传输(IPT)领域，具体涉及一种基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法。

背景技术

感应电能传输技术,简称为IPT技术,是一种基于电磁场近场松耦合感应原理，综合利用电力电子变换技术、磁场耦合技术以及控制理论，实现用电设备以非导线接触方式从电网获取能量的技术，广泛应用于城市电气化轨道交通、纯电动汽车、易燃易爆等特殊环境移动电气设备、新能源发电、石油钻探、无尾家电以及生物体内植电气设备等领域。

如图1所示，从系统结构上看，IPT系统包括原边和副边两个部分，原边通过谐振变换器在发射线圈上产生高频交变电流，副边能量接收线圈上感应到的电能经无功补偿和能量变换后输出给负载。结构的特殊性和复杂性导致系统呈现出典型的高阶非线性特性，从而引起复杂的动力学行为，增加了系统建模分析与控制的难度。

IPT系统基本无功补偿网络中，根据补偿电容位置的不同可分为原边串联副边串联补偿(下文简称SS型拓扑)、原边串联副边并联补偿并联(下文简称SP型拓扑)、原边并联副边串联补偿下文简称PS型拓扑)、原边并联副边并联补偿(下文简称PP型拓扑)四种基本无功补偿拓扑。

IPT系统通常有两种常见的控制策略，即定频控制和浮频控制：

①定频控制

定频模式下，控制器主动发出一定频的脉冲信号控制逆变器的切换，系统在该频率下作强迫振荡。系统开关频率固定，不随参数变化而变化，因此，在负载切换或者参数漂移时，系统很容易进入硬开关工作状态，引起较大的开关损耗和电磁干扰(EMI)，不利于系统长期稳定工作。

②浮频控制

浮频控制下，控制器根据反馈电压或电流的过零信号实时控制逆变器的切换，系统开关频率跟踪谐振频率，每次开关谐振电压或者电流过零时切换开关管，可以保证系统总工作在软开关状态，因此浮频模式相对于定频模式具有更好的参数自适应能力。但是浮频控制也存在一些局限性：结构相对复杂，需要检测、变送及控制环节，降低了系统的可靠性；不能工作在不稳定的软开关工作点，在频率分岔区可能发生频率跳变；对控制电路的响应速度要求比较高，存在延迟的话会导致系统工作在硬开关状态下；如果失谐可能会给系统带来很大的损害，因此一般用于功率较小的系统。

文献研究表明，在IPT系统中，当系统参数如互感、原副边谐振网络参数以及负载阻抗等发生变化，都可能引起系统谐振频率的分岔。其中最为常见的分岔为静态分岔，静态分岔指的是平衡点的数目和稳定性随参数变化而发生突然的变化，其中最常见的是叉形分岔，叉形分岔的标准图形如图2所示，频率在分岔处是连续的，且存在一段频率不变区域。

如果能使IPT系统软开关频率始终工作在这一频率不变区域内，IPT系统的工作稳定性将得到极大的提高。

但不是所有的叉形分岔都是如图2这般标准，很多时候软开关频率在分岔处是非连续的，并且没有频率不变区域，如图3所示。因此研究一种优化IPT系统控制参数的方法使得IPT系统的系统软开关频率呈标准的叉形分岔显得尤为重要。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，能使得IPT系统软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图，使得在该IPT系统的负载R_L变化时，其软开关频率有较好的频率稳定性，进而使得IPT系统工作在稳定的软开关频率下。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，包括以下步骤：

S1，根据实际要求建立IPT系统模型，设定该系统的软开关频率f、原边电感值L_p和副边电感值L_s；

S2，根据设定的软开关频率f、原边电感值L_p和副边电感值L_s，选取副边谐振补偿电容C_s的值；

S3，基于交流阻抗分析法计算得到原边补偿电容初始值

S4，根据所建立的IPT系统中原边电感值L_p、副边电感值L_s、副边谐振补偿电容C_s和原边补偿电容初始值进行仿真，得到该IPT系统的初步软开关频率分岔图；