基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法

摘要

本发明提出了一种基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，该方法通过交流阻抗分析法得到原边补偿电容初始值，然后再根据迭代运算及计算机仿真得到原边补偿电容优化值Cp，使得该IPT系统软开关频率分岔图为标准叉形分岔图，即存在频率不变区域，如此，只要保证该IPT系统的负载RL不超过在频率不变区域的负载范围，即可保证该IPT系统的软开关频率保持不变。该优化方法简单、直接、有效，能快速地得到原边补偿电容优化值Cp。

权利要求

1.基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，其特征在于,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Lp和副边电感值Ls；

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

S5，保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变，在原边补偿电容初始值 附近取原边补偿电容试探值，并通过频闪映射建模及计算机仿真得到该原边补偿电容试探值下的简单软开关频率分岔图，直到该简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，将此时的原边补偿电容试探值作为原边补偿电容优化值Cp。

2.根据权利要求1所述的基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，其特征在于,还包括如下步骤:S6，对参数优化过的IPT系统进行频闪映射建模，画出完整精细的软开关频率分岔图，进行验证原边补偿电容优化值Cp是否使得该IPT系统软开关频率分岔图符合标准叉形分岔图要求，如果符合，则设计完成，如果不符合，重复执行步骤S5，直到原边补偿电容优化值Cp符合要求为止。

3.根据权利要求1所述的基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，其特征在于,该IPT系统为SS型拓扑IPT系统时，所述步骤S3包括以下步骤：S3-1，对IPT系统用阻抗分析法进行分析，

得副边总阻抗为： RL为该IPT系统的负载，ω为该IPT系统工作的角频率；

等效到原边的副边反射阻抗为： 其中，M为互感系数；

系统总阻抗为： Rp为原边电感和线路的阻抗；

S3-2，当实现功率的最大传输时，IPT系统副边处于完全谐振模式下，系统的固有谐振频率S3-3，令系统总阻抗虚部为0，得到原边补偿电容粗略值

S3-4，由步骤S3-2和步骤S3-3中两式得到原边补偿电容粗略值 。

4.根据权利要求1所述的基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，其特征在于,所述步骤S5包括以下步骤：S5-1，保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变；

S5-2，根据初步软开关频率分岔图的分岔类型调整得到原边补偿电容优化值Cp的取值范围，通过频闪映射建模，并将该取值范围内的任意值作为原边补偿电容试探值代入该模型中，进行仿真得到简单软开关频率分岔图，如果所得到的简单软开关频率分岔图为标准叉形分岔图，那么此时的原边补偿电容试探值即为原边补偿电容优化值Cp，如果所得到的简单软开关频率分岔图为非标准叉形分岔图，则执行步骤S5-3；

S5-3，通过重复步骤S5-2计算软开关频率分岔图，进行多次迭代运算，直到系统简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，停止迭代运算，得到原边补偿电容优化值Cp。

5.根据权利要求4所述的基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法，其特征在于,该IPT系统为SS型拓扑IPT系统时，步骤S5-3中，如果所得到的简单软开关频率分岔图是上端连续型，则增大原边补偿电容试探值；如果所得到的简单软开关频率分岔图是下端连续型，则减小原边补偿电容试探值。

说明书

基于频率分岔特性的IPT系统参数优化方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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：

[0006] ①定频控制

[0007] 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。

[0008] ②浮频控制

[0009] 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。

[0010] 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。

[0011] 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。

[0012] 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

[0013] 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RL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。

[0014] 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：

[0015] 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Lp和副边电感值Ls；

[0016] S2，根据设定的软开关频率f、原边电感值Lp和副边电感值Ls，选取副边谐振补偿电容Cs的值；

[0017] S3，基于交流阻抗分析法计算得到原边补偿电容初始值

[0018] S4，根据所建立的IPT系统中原边电感值Lp、副边电感值Ls、副边谐振补偿电容Cs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；

[0019] S5，保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变，在原边补偿电容初始值 附近取原边补偿电容试探值，并通过频闪映射建模及计算机仿真得到该原边补偿电容试探值下的简单软开关频率分岔图，直到该简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，将此时的原边补偿电容试探值作为原边补偿电容优化值Cp。

[0020] 通过交流阻抗分析法得到原边补偿电容初始值 其中SS型拓扑IPT系统、PS型拓扑IPT系统、SP型拓扑IPT系统和PP型拓扑各对应不同的原边补偿电容初始值 这四种拓扑结构的IPT系统的原边补偿电容初始值 均可采用已知的交流阻抗分析法计算得到，然后再根据迭代运算及计算机仿真得到原边补偿电容优化值Cp，使得该IPT系统的简单软开关频率分岔图为标准叉形分岔图，即存在频率不变区域，如此，只要保证该IPT系统的负载RL不超过在频率不变区域的负载范围，即可保证该IPT系统的软开关频率保持不变。该优化方法简单、直接、有效，能快速的得到原边补偿电容优化值Cp。

[0021] 进一步的，本方法还包括步骤S6，对参数优化过的IPT系统进行频闪映射建模，画出完整精细的软开关频率分岔图，进行验证原边补偿电容优化值Cp是否使得该IPT系统软开关频率分岔图符合标准叉形分岔图要求，如果符合，则设计完成，如果不符合，重复执行步骤S5，直到原边补偿电容优化值Cp符合要求为止。

[0022] 保证了原边补偿电容优化值Cp的准确性，从而进一步的提升了IPT系统的稳定性。

[0023] 进一步的,该IPT系统为SS型拓扑IPT系统时，所述步骤S3包括以下步骤：

[0024] S3-1，对IPT系统用阻抗分析法进行分析，

[0025] 得副边总阻抗为： RL为该IPT系统的负载，ω为该IPT系统工作的角频率；

[0026] 等效到原边的副边反射阻抗为： 其中，M为互感系数；

[0027] 系统总阻抗为： Rp为原边电感和线路的阻抗；

[0028] S3-2，当实现功率的最大传输时，IPT系统副边处于完全谐振模式下，系统的固有谐振频率

[0029] S3-3，令系统总阻抗虚部为0，得到原边补偿电容粗略值

[0030] S3-4，由步骤S3-2和步骤S3-3中两式得到原边补偿电容粗略值

[0031] 对SS型拓扑IPT系统，该原边补偿电容粗略值 的计算方法，简单有效，而且准确性高。

[0032] 进一步的,所述步骤S5包括以下步骤：

[0033] S5-1，保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变；

[0034] S5-2，根据初步软开关频率分岔图的分岔类型调整得到原边补偿电容优化值Cp的取值范围，通过频闪映射建模，并将该取值范围内的任意值作为原边补偿电容试探值代入该模型中，进行仿真得到简单软开关频率分岔图，如果所得到的简单软开关频率分岔图为标准叉形分岔图，那么此时的原边补偿电容试探值即为原边补偿电容优化值Cp，如果所得到的简单软开关频率分岔图为非标准叉形分岔图，则执行步骤S5-3；

[0035] S5-3，通过重复步骤S5-2计算软开关频率分岔图，进行多次迭代运算，直到简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，停止迭代运算，得到原边补偿电容优化值Cp。

[0036] 在保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变的情况下，对原边补偿电容试探值进行迭代运算，从而得到原边补偿电容优化值Cp，该方法简单，且计算准确率高，速度快。

[0037] 进一步的，该IPT系统为SS型拓扑IPT系统时，步骤S5-3中，如果所得到的简单软开关频率分岔图是上端连续型，则增大原边补偿电容试探值；如果所得到的简单软开关频率分岔图是下端连续型，则减小原边补偿电容试探的值。

[0038] 本发明的有益效果是：

[0039] 1、解决了定频控制不适应负载变动的系统，和浮频控制不能工作在非自治稳定频率点的矛盾；

[0040] 2、较好地实现了系统在变负载情况下的频率稳定性；

[0041] 3、实现简单，适应性广，可靠性高；

[0042] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0043] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0044] 图1是SS型IPT系统拓扑电路图；

[0045] 图2是标准叉形分岔图；

[0046] 图3为非标准叉形分岔示意图

[0047] 图4为本方法的流程示意图；

[0048] 图5为不同原边补偿电容试探值的软开关频率分岔图；

[0049] 图6为参数优化前后该系统软开关频率分岔对比图；

[0050] 图7为频闪映射示意图。

具体实施方式

[0051] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0052] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0053] 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，如图4所示，包括以下步骤：

[0054] 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Lp和副边电感值Ls。

[0055] S2，根据设定的软开关频率f、原边电感值Lp和副边电感值Ls，选取副边谐振补偿电容Cs的值。

[0056] S3，基于交流阻抗分析法计算得到原边补偿电容初始值

[0057] 当该IPT系统为如图1所示的SS型拓扑结构时，原边补偿电容初始值 的计算方法包括以下步骤：

[0058] S3-1，对IPT系统用阻抗分析法进行分析，

[0059] 得副边总阻抗为： RL为该IPT系统的负载，ω为该IPT系统工作的角频率。

[0060] 等效到原边的副边反射阻抗为： 其中，M为互感系数。

[0061] 系统总阻抗为： Rp为原边电感和线路的阻抗。

[0062] S3-2，当实现功率的最大传输时，IPT系统副边处于完全谐振模式下，系统的固有谐振频率

[0063] S3-3，令系统总阻抗虚部为0，得到原边补偿电容粗略值

[0064] S3-4，由步骤S3-2和步骤S3-3中两式得到原边补偿电容粗略值 该原边补偿电容粗略值 的计算方法，简单有效，而且准确性高。

[0065] S4，根据所建立的IPT系统中原边电感值Lp、副边电感值Ls、副边谐振补偿电容Cs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。

[0066] S5，保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变，在原边补偿电容初始值 附近取原边补偿电容试探值，并通过频闪映射建模及计算机仿真得到该原边补偿电容试探值下的简单软开关频率分岔图，直到该简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，将此时的原边补偿电容试探值作为原边补偿电容优化值Cp。

[0067] 原边补偿电容试探值的取值范围为原边补偿电容初始值

[0068] 在仿真中为了提高效率，只需要取频率过渡区中的几个负载值，通过频闪映射建模得到这些负载值对应的软开关频率，从而得到本步骤中所提到的简单软开关频率分岔图。

[0069] 具体的，步骤S5包括以下三步：

[0070] 第一步，保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变。

[0071] 第二步，根据初步软开关频率分岔图的分岔类型调整得到原边补偿电容优化值Cp的取值范围，通过频闪映射建模，并将该取值范围内的任意值作为原边补偿电容试探值代入该模型中，进行仿真得到简单软开关频率分岔图，如果所得到的简单软开关频率分岔图为标准叉形分岔图，那么此时的原边补偿电容试探值即为原边补偿电容优化值Cp，如果所得到的简单软开关频率分岔图为非标准叉形分岔图，则执行步骤S5-3；

[0072] 第三步，通过重复步骤S5-2计算软开关频率分岔图，进行多次迭代运算，直到简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，停止迭代运算，得到原边补偿电容优化值Cp。

[0073] 当该IPT系统为如图1所示的SS型拓扑结构时，如果所得到的简单软开关频率分岔图是上端连续型，增大原边补偿电容试探值，如图5所示，如果是下端连续型，则减小原边补偿电容试探的值，进行多次迭代运算，直到简单软开关频率分岔图呈标准叉形分岔图时，停止迭代运算，得到原边补偿电容优化值Cp。

[0074] 本申请中提到的频闪映射,以固定不变的采样频率采样目标系统，该采样频率和系统工作频率一致。同时对于周期变化的系统来讲，其频闪映射模型必然对应为一个不动点。以常见的正弦函数曲线为例，其频闪映射建模的示意图如图7所示，可看出，以与运行周期T一致的时间间隔进行频闪采样，其频闪映射的结果为一个不动点y*＝Ys。

[0075] 频闪映射建模方法与周期不动点理论能够精确地计算谐振变换器软开关工作点。对于负载变化的IPT系统，运用该方法可对IPT系统建立精确的数学模型。

[0076] 频闪映射建模方法为：

[0077] 设M维自治非线性系统：

[0078] 可以将其分段线性化为k个线性模态，各模态的状态空间描述为：

[0079] 假设在各线性工作模态下，系统输入量ui(t)＝c为常数不变且系统参数矩阵Ai可逆，则系统的解析解为： 式中，x为状态变量且x∈RM，维数为m，ui∈Rl,(i＝1,2,3...k)为系统输入变量，维数为l。Ai和Bi分别为系统状态系数矩阵和系统输入系数矩阵。

[0080] x0＝x(0)为模态初始状态。其中状态转移矩阵可表示为：

[0081] 设稳态时，系统运行周期为T，各线性模态的工作持续时间为ζi，则 可得到各模态下的状态映射函数

[0082] 假设xn为系统稳态时的周期初始状态，xn+1系统稳态时周期结束状态，则系统在第n个周期的频闪映射模型可表示为： 式中 为折算因子，其意义为

[0083] 稳态时，系统的状态向量周期重复，即xn+1＝xn，

[0084] 代入得到系统的不动点x*，

[0085] 各模态切换的边界条件可表示为：

[0086]

[0087] 其中Yj∈Rp×m,(i＝1,2,3...k)为状态转移矩阵，用来将边界条件涉及到的p个状态变量从m维状态向量x中提取出来。

[0088] 对于IPT系统，为了便于分析，假设所有开关器件均为理想器件。可将系统分段线性化，取系统中所有电容器件的电压和电感器件的电流为状态变量，得到每一个模态的状态空间描述方程；根据各模态下的状态映射函数得到周期不动点函数，进而求得软开关周期和系统稳态周期内各状态变量的稳态值。

[0089] 本发明在保持原边电感值Lp、副边电感值Ls和副边谐振补偿电容Cs不变的情况下，对原边补偿电容试探值进行迭代运算，从而得到原边补偿电容优化值Cp。通过交流阻抗分析法得到原边补偿电容初始值 然后再根据频散映射模型及计算机仿真得到原边补偿电容优化值Cp，使得该IPT系统软开关频率分岔图为标准叉形分岔图，即存在频率不变区域，如此，只要保证该IPT系统的负载RL不超过在频率不变区域的负载范围，即可保证该IPT系统的软开关频率保持不变。该优化方法简单、直接、有效，能快速的得到原边补偿电容优化值Cp。

[0090] 如图6所示的参数优化后的IPT系统的软开关频率分岔图，优化前，其软开关频率图为非标准叉形分岔图，呈现非连续性，并且没有频率不变区域，而优化参数后的系统，其软开关频率图为标准叉形分岔图，呈现了频率的连续性，并且存在频率不变区域。

[0091] 为了加快计算的速度以及减少优化过程中不必要的计算，所以步骤S5中在对软开关频率分岔图的仿真上的计算都是基于少量的点进行的。为了提高该IPT系统在整个工作过程中都能工作在不变的软开关频率下，需对所优化得到的参数进行验证，即画出完整精细的分岔图进行验证，看软开关频率分叉图是否达到标准的叉型分岔的要求。

[0092] 所以本方法还包括步骤S6，对参数优化过的IPT系统进行频闪映射建模，画出完整精细的软开关频率分岔图，进行验证原边补偿电容优化值Cp是否使得该IPT系统软开关频率分岔图符合标准叉形分岔图要求，如果符合，则设计完成，如果不符合，重复执行步骤S5，直到原边补偿电容优化值Cp符合要求为止。

[0093] 这保证了原边补偿电容优化值Cp的准确性，从而进一步的提升了IPT系统的稳定性。

[0094] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0095] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。