1.本本发明涉及以磁耦合的方式将电能转化成磁场，传输后在接收侧转化成电能的无线传能技术领域，尤其涉及一种适用于无线电能传输系统的倍频控制策略。
背景技术：2.无线电能传输技术实现了供电电源与用电设备之间的完全电气隔离，解决了传统供电中存在的电路老化、尖端放电、产生电火花等问题，具有安全、灵活、可靠等诸多优点，广泛应用于电动汽车、无人机、水下潜航器、医疗设备等。虽然无线电能传输存在上述优点，但是受限于现有技术研究，目前的无线电能传输系统仍然存在传输功率、效率和距离的问题，电磁兼容以及生物安全的问题。其中电能传输效率是最基本也是最主要的问题，限制了该技术在其他领域的推广和应用。
3.目前无线电能传输系统通常使用的提高系统效率的策略有：(1)增加中继线圈：增加中继线圈能够大幅提高激励电流，放大线圈间的交变磁场，提高无线电能传输系统的效率。(2)附加隔磁片：隔磁片能够对初级线圈产生的交变磁场进行引导，使初级线圈产生的磁场能量尽可能地作用于次级线圈，提高了磁耦合系统的耦合系数优化无线电能传输系统的效率。
4.但是这些传统的策略往往只考虑到提高磁耦合系统的耦合系数m，增加中继线圈或者附加隔磁片都增加了无线电能传输系统的硬件复杂度，提高了系统整体的成本。
5.因此，本发明意在寻求在不提高无线电能传输系统复杂度的情况下，也能够获得良好的能量传输效率的技术。
技术实现要素：6.本发明要解决的技术问题是提供一种适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，实现与传统移相控制策略相比在相同开关频率时，谐振槽工作频率的倍增效应，提高无线电能传输系统的效率。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
8.一种适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，包括如下步骤：
9.s1、设置逆变电路开关管s1和s4驱动信号占空比为0.25，开关管s2和s3驱动信号占空比为0.75，两个桥臂驱动信号相位角相差180度，产生系统的工作脉冲f1，工作脉冲f1的频率为f1；
10.s2、由于倍频控制策略的特性：逆变电路输出方波频率是开关管开关频率的两倍，磁耦合谐振系统的谐振频率f0为工作脉冲频率f1的两倍，根据下式，
[0011][0012]
s3、设置逆变电路输出控制脉冲f2，控制脉冲f2频率为f2，根据下式，通过改变控制频率f2占空比d对负载两端电压进行调节：
[0013][0014]
s4、利用控制频率f2对工作脉冲f1进行调制，将调制好的四个驱动信号对逆变电路的四个开关管进行驱动，使负载在稳定的电压下运行。
[0015]
优选的，由于倍频调制策略的频率倍增效应，逆变电路输出方波频率为工作脉冲f1的频率f1的两倍，且与谐振电路固有的谐振频率f0相同的，保证系统在工作区间的高效率运行。
[0016]
优选地，控制脉冲f2则是对工作脉冲f1以较低频率f2进行控制，当控制脉冲f2输出高电平时，工作脉冲f1驱动逆变电路开关管的正常运行，当控制脉冲f2输出低电平时，驱动逆变电路开关管的工作脉冲f1被有效禁用。
[0017]
优选地，s3中的公式推导如下：
[0018]
根据基尔霍夫电路理论，发射侧电路的网孔方程为：
[0019][0020]
接收侧电路的网孔方程为：
[0021][0022]
当传输系统处于谐振状态下：
[0023][0024]
公式(1)和公式(2)可以简化成：
[0025][0026]
发射侧和接收侧的电流为：
[0027][0028]
电压传输比为：
[0029][0030]
在不考虑逆变电路开关管损耗、只涉及磁耦合系统效率的情况下，整个系统的传
输效率η为：
[0031][0032]
由公式(7)可得，可以通过提高磁耦合系统的耦合系数m和谐振频率f 提高无线电能传输系统的传输效率，使用倍频控制策略可以在相同开关频率的情况下，使输出的谐振电压频率倍增，从而达到提高系统传输效率的目的；
[0033]
将倍频控制策略下逆变电路输出单极性电压v1的电压波形展开为傅里叶级数：
[0034][0035]
当只考虑基波分量，控制频率f2的占空比为d时，则发射侧输入电压的有效值u1变为：
[0036][0037]
控制脉冲f2的占空比d和接收侧电压u
l
的关系为：
[0038][0039]
由公式(10)可以看出，当系统的直流侧输入电压u
in
，耦合系数m不变时，通过改变控制脉冲f2的占空比d就可以实现对负载两端电压u
l
的控制。
[0040]
本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：
[0041]
(1)与传统移相控制策略相比，在相同开关频率的情况下，倍频控制策略下的谐振槽工作频率的倍增，提高无线电能传输系统的效率。
[0042]
(2)在软开关方面：因为倍频控制策略每次开关动作涉及到的开关管的寄生电容是两个，为传统移相控制策略的一半，其软开关的条件降低即更容易实现软开关。
[0043]
(3)在调压时，结合双频控制策略，通过调节控制频率的占空比d对输出电压进行控制，调压逻辑简单。
附图说明
[0044]
图1是谐振频率与传输效率之间关系的曲线图。
[0045]
图2是本发明的无线电能传输系统的系统框图。
[0046]
图3是本发明的无线电能传输系统的电路模型。
[0047]
图4是本发明的无线电能传输系统的流程图。
[0048]
图5是倍频控制策略中工作脉冲f1和控制脉冲f2波形图。
[0049]
图6是倍频控制策略与传统移相控制策略效率对比曲线。
[0050]
图7是无线传能功率变换系统互感等效模型。
[0051]
图8是示出实施例1的开关管s1～s4的控制波形图。
[0052]
图9是示出实施例1的负载电压与逆变电路输出波形图。
[0053]
图10是示出实施例1的开关管s1～s4的控制波形图。
[0054]
图11是示出实施例1的负载电压与逆变电路输出波形图。
[0055]
图12是示出实施例1的开关管s1～s4的控制波形图。
[0056]
图13是示出实施例1的负载电压与逆变电路输出波形图。
[0057]
图14是示出实施例1的开关管s1～s4的控制波形图。
[0058]
图15是示出实施例1的负载电压与逆变电路输出波形图。
具体实施方式
[0059]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0060]
本发明的实施例提供一种适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，包括如下步骤：
[0061]
s1、设置逆变电路开关管s1和s4驱动信号占空比为0.25，开关管s2和s3驱动信号占空比为0.75，两个桥臂驱动信号相位角相差180度，产生系统的工作脉冲f1，工作脉冲f1的频率为f1；
[0062]
s2、由于倍频控制策略的特性：逆变电路输出方波频率是开关管开关频率的两倍。磁耦合谐振系统的谐振频率f0为工作脉冲频率f1的两倍，根据下式，
[0063][0064]
s3、设置逆变电路输出控制脉冲f2，控制脉冲f2频率为f2，根据下式，通过改变控制频率f2占空比d对负载两端电压进行调节：
[0065][0066]
s4、利用控制频率f2对工作脉冲f1进行调制，将调制好的四个驱动信号对逆变电路的四个开关管进行驱动，使负载在稳定的电压下运行。
[0067]
【无线传能系统的构成】
[0068]
如图2所示，主要由高频逆变电路、耦合谐振网络和全桥整流器组成。高频逆变电路将直流电转换成高频交流电输入发射线圈，接收线圈与发射线圈磁场耦合产生感应电流，经过全桥整流器供负载消耗。
[0069]
如图3所示，四个开关管，一个发射侧线圈，一个接收侧线圈，两个谐振电容，四个整流二极管，一个滤波电容，一个负载。
[0070]
如图4所示，包括直流电源、辅助电源、高频逆变电路、磁耦合系统、数字信号处理器dsp、整流电路和可变负载。
[0071]
【软开关】
[0072]
开关管实现软开关的条件是在逆变电路输出电压v1的上升沿之后i1正向过零即φ》0，此时滞后臂开关管在施加导通信号之前其反并联二极管已经被反向电流i1导通，可以实现滞后臂开关管的零电压开通，即保证足够长的死区时间，使谐振电流完全抽光开关管的寄生电容中的电荷，使待开通的开关管电压降为零，即
[0073][0074]imp
是励磁电流峰值，出现在开关动作时，c
zvs
是参与一次换流所有开关管电容值的总和，v
in
为直流电源输入电压。对于传统的移相控制策略，每次开关动作涉及到的开关管有4个，而对于倍频控制策略，每次开关动作涉及到的开关管只有2个，因此参与一次换流的电容值为传统移相控制策略的一半。在相同开关频率时，死区时间应该相同。从式(11)可以看出，倍频控制策略所需的励磁电流更小，表明更容易实现软开关。
[0075]
【无线电能传输系统效率】
[0076]
对图7的互感等效模型，根据基尔霍夫电路理论，发射侧电路的网孔方程为：
[0077][0078]
接收侧电路的网孔方程为：
[0079][0080]
当传输系统处于谐振状态下：
[0081][0082]
公式(1)和公式(2)可以简化成：
[0083][0084]
发射侧和接收侧的电流为：
[0085][0086]
电压传输比为：
[0087][0088]
在不考虑逆变电路开关管损耗、只涉及磁耦合系统效率的情况下，整个系统的传输效率η为：
[0089][0090]
由公式(7)可得，可以通过提高磁耦合系统的耦合系数m和谐振频率f 提高无线电能传输系统的传输效率。
[0091]
本专利的核心创新点在于，使用倍频控制策略可以在相同开关频率的情况下，使输出的谐振电压频率倍增，从而达到提高系统传输效率的目的。
[0092]
实施例1
[0093]
当直流电源输入电压u
in
为400v时，设置开关频率为100khz，控制脉冲 f2频率为2khz，谐振槽的固有谐振频率200khz为开关频率的两倍。占空比 d＝0.2，开关管s1～s4的控制波形如图8所示，当控制脉冲f2处于高电平状态时，逆变电路开关管s1和s4驱动信号占空比为0.25，开关管s2和s3驱动信号占空比为0.75，两个桥臂驱动信号相位角相差180度。当控制脉冲f2处于低电平状态时所有开关管处于关断状态，逆变电路输出始终为零。
[0094]
四个开关管的驱动信号如图11所示，逆变电路输出电压与负载电压波形图如图9所示，负载电压u
l
的数值为52.5v。
[0095]
实施例2
[0096]
当直流电源输入电压u
in
为400v时，设置开关频率为100khz，控制脉冲 f2频率为2khz，谐振槽的固有谐振频率200khz为开关频率的两倍。占空比 d＝0.4，开关管s1～s4的控制波形如图10所示，当控制脉冲f2处于高电平状态时，逆变电路开关管s1和s4驱动信号占空比为0.25，开关管s2和s3驱动信号占空比为0.75，两个桥臂驱动信号相位角相差180度。当控制脉冲f2处于低电平状态时所有开关管处于关断状态，逆变电路输出始终为零。
[0097]
四个开关管的驱动信号如图11所示，逆变电路输出电压与负载电压波形图如图9所示，负载电压u
l
的数值为76.5v。
[0098]
实施例3
[0099]
当输入的直流电压为80v时，设置控制脉冲f2占空比f＝2khz，占空比 d＝0.7，开关管s1～s4的控制波形如图12所示，当控制脉冲f2处于高电平状态时，开关管s1～s4以工作脉冲f1进行控制，当控制脉冲f2处于低电平状态时开关管s1和s3处于导通状态，开关管s2和s4处于关断状态，逆变电路输出始终为零。
[0100]
逆变电路的输出电压v1、电流i1与负载电压v
l
的波形如图13所示，负载电压u
l
的数值为112.3v。
[0101]
实施例4
[0102]
当直流电源输入电压u
in
为400v时，设置开关频率为100khz，控制脉冲 f2频率为2khz，谐振槽的固有谐振频率200khz为开关频率的两倍。占空比 d＝0.8，开关管s1～s4的控制波形如图14所示，当控制脉冲f2处于高电平状态时，逆变电路开关管s1和s4驱动信号占空比为0.25，开关管s2和s3驱动信号占空比为0.75，两个桥臂驱动信号相位角相差180度。当控制脉冲f2处于低电平状态时所有开关管处于关断状态，逆变电路输出始终为零。
[0103]
逆变电路的输出电压v1、电流i1与负载电压v
l
的波形如图15所示，负载电压u
l
的数值为146.3v。
[0104]
本发明提供的技术方案，逆变电路开关管驱动信号不再有相同的驱动时序而是相
差180度，占空比也非传统的始终为0.5而是分别为0.75和0.25，使得逆变输出频率为开关频率的两倍，实现谐振槽工作频率的倍增。在调压时引入控制频率f2对工作频率f1进行控制，当f2处于高电平状态时，逆变电路开关管才会进行开关动作，当控制脉冲f2处于低电平状态时，逆变电路开关管是不动作的，通过调节控制脉冲占空比d对输出电压进行控制；
[0105]
与传统移相控制策略相比，在相同开关频率的情况下，倍频控制策略下的谐振槽工作频率的倍增，提高无线电能传输系统的效率；
[0106]
在软开关方面：因为倍频控制策略每次开关动作涉及到的开关管的寄生电容是两个，为传统移相控制策略的一半，其软开关的条件降低即更容易实现软开关；
[0107]
在调压时，结合双频控制策略，通过调节控制频率的占空比d对输出电压进行控制，调压逻辑简单。
[0108]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，其特征在于，包括如下步骤：s1、设置逆变电路开关管s1和s4驱动信号占空比为0.25，开关管s2和s3驱动信号占空比为0.75，两个桥臂驱动信号相位角相差180度，产生系统的工作脉冲f1，工作脉冲f1的频率为f1；s2、由于倍频控制策略的特性：逆变电路输出方波频率是开关管开关频率的两倍，磁耦合谐振系统的谐振频率f0为工作脉冲频率f1的两倍，根据下式，s3、设置逆变电路输出控制脉冲f2，控制脉冲f2频率为f2，根据下式，通过改变控制频率f2占空比d对负载两端电压进行调节：s4、利用控制频率f2对工作脉冲f1进行调制，将调制好的四个驱动信号对逆变电路的四个开关管进行驱动，使负载在稳定的电压下运行。2.根据权利要求1所述的适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，其特征在于，根据s1、s2可知由于倍频调制策略的频率倍增效应，逆变电路输出方波频率为工作脉冲f1的频率f1的两倍，且与谐振电路固有的谐振频率f0相同的，保证系统在工作区间的高效率运行。3.根据权利要求1所述的适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，其特征在于，根据s3、s4可知控制脉冲f2则是对工作脉冲f1以较低频率f2进行控制，当控制脉冲f2输出高电平时，工作脉冲f1驱动逆变电路开关管的正常运行，当控制脉冲f2输出低电平时，驱动逆变电路开关管的工作脉冲f1被有效禁用。4.根据权利要求1所述的适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，其特征在于，s3中的公式推导如下：根据基尔霍夫电路理论，发射侧电路的网孔方程为：接收侧电路的网孔方程为：当传输系统处于谐振状态下：公式(1)和公式(2)可以简化成：
发射侧和接收侧的电流为：电压传输比为：在不考虑逆变电路开关管损耗、只涉及磁耦合系统效率的情况下，整个系统的传输效率η为：由公式(7)可得，可以通过提高磁耦合系统的耦合系数m和谐振频率f提高无线电能传输系统的传输效率，使用倍频控制策略可以在相同开关频率的情况下，使输出的谐振电压频率倍增，从而达到提高系统传输效率的目的；将倍频控制策略下逆变电路输出单极性电压v1的电压波形展开为傅里叶级数：当只考虑基波分量，控制频率f2的占空比为d时，则发射侧输入电压的有效值u1变为：控制脉冲f2的占空比d和接收侧电压u
l
的关系为：由公式(10)可以看出，当系统的直流侧输入电压u
in
，耦合系数m不变时，通过改变控制脉冲f2的占空比d就可以实现对负载两端电压u
l
的控制。
技术总结本发明提供一种适用于无线电能传输系统的倍频控制策略，区别于传统的移相控制策略：超前桥臂和滞后桥臂的占空比始终为0.5，谐振槽工作频率与开关频率相同，通过控制移相角实现对负载两端电压的调节，倍频控制策略通过控制同一桥臂两个开关管的占空比为0.25和0.75，两个桥臂相位角相差180度，从而实现与传统移相控制策略相比在相同开关频率时，谐振槽工作频率的倍增效应，提高无线电能传输系统的效率。在调压时，结合双频控制策略，通过调节控制频率的占空比d对输出电压进行控制，调压逻辑简单。同时，因为倍频控制策略每次开关动作涉及到的开关管的寄生电容是两个，为传统移相控制策略的一半，其软开关的条件降低。其软开关的条件降低。其软开关的条件降低。
技术研发人员：汤雨 王鸿昌 高亚虎
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/7/5
