一种基于广义占空比的水下无线充电控制方法

本发明涉及了一种水下无线充电控制方法，具体涉及一种基于广义占空比的水下无线充电控制方法。

背景技术：

1、水下自主航行器auv被广泛应用于资源勘探、军事部署中。经历多年的发展，auv的性能已经得到了显著的提高，但传统的供电方式仍然限制会auv的使用，供电问题已成为影响其性能的关键因素。传统的供电方法主要包括两种技术，即更换电池供电、湿插拔接头充电。然而，前者需要手动操作，自动化程度低，隐蔽性不够，长时间工作甚至可能影响auv的密封性能。后者需要使用高精度水下湿式插接器作为对接电源。设备存在安全性差、寿命短、维护复杂等缺点。为了解决auv的能源供应问题，水下无线充电(uwpt)正在成为一种新型的水下能量传输方法。

2、锂离子电池因其寿命长和可靠性高的优点，被广泛用于auv中。要给锂离子电池充电，至少有两个阶段，即恒流充电和恒压充电，所以要求系统可以实现恒流输出、恒压输出。此外，不同的锂离子电池在进行恒流充电、恒压充电时，往往要求不同的恒定电流、恒定电压。现有的实现恒流、恒压输出方法有：增加补偿网络、增加后端变换器、增加有源桥等，这些方法存在电路拓扑复杂、输入阻抗难以实现零相角的问题。而现有的实现恒流、恒压输出可调的方法如移相控制，存在调节范围有限、难以实现软开关的缺点。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于广义占空比的水下无线充电控制方法。本发明实现宽范围恒压输出、恒流输出的方法，在不增加额外后级电路的情况下，实现宽范围的两级输出模式，即恒流输出模式、恒压输出模式。此外，采用本发明的方法，逆变电路在工作过程中，可以实现软开关操作，提高了系统工作的效率。

2、本发明采用的技术方案是：

3、本发明水下无线充电控制方法包括如下步骤：

4、步骤一：确定水下无线充电系统中的补偿网络的类型；根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率；补偿网络也称为谐振网络。

5、步骤二：当需要恒流输出时，将水下无线充电系统的工作频率维持在恒流输出频率；当需要恒压输出时，将水下无线充电系统的工作频率维持在恒压输出频率；在水下无线充电系统工作时，以调节广义占空比方法控制水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的基波有效值，进而调节水下无线充电系统的逆变电路的输出电压，从而实现对水下无线充电的控制。

6、所述的步骤一中，水下无线充电系统包括逆变电路、补偿网络、整流电路和滤波电路，补偿网络包括原边补偿网络、副边补偿网络和线圈；确定水下无线充电系统中的补偿网络的类型，具体为当补偿网络的原边补偿网络和副边补偿网络中的电感和电容均为一个时，补偿网络为低阶网络；当补偿网络的原边补偿网络或副边补偿网络中的电感和电容为多个时，补偿网络为高阶网络。

7、所述的步骤一中，根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，当补偿网络为高阶网络时，通过高阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，具体如下：

8、当补偿网络为高阶网络时，补偿网络包括7型谐振网络和t型谐振网络，首先计算获取补偿网络的谐振条件和输出特性，具体如下：

9、zatzbt+zatzct+zbtzct＝0

10、

11、za7+zb7＝0

12、

13、其中，zat、zbt和zct分别为t型谐振网络的电路中的第一阻抗、第二阻抗和第三阻抗，gou为t型谐振网络的输出电压增益；za7、zb7分别为7型谐振网络的电路中的第一阻抗、第二阻抗，goi为7型谐振网络的输出电流增益。

14、补偿网络的谐振条件包括zatzbt+zatzct+zbtzct＝0和za7+zb7＝0，补偿网络的输出特性包括t型谐振网络的输出电压增益gou和7型谐振网络的输出电流增益goi。

15、根据补偿网络在输出特性下的谐振条件获得7型谐振网络和t型谐振网络的谐振频率，根据水下无线充电系统输入阻抗zin的零相角条件对7型谐振网络和t型谐振网络的谐振频率进行筛选，从而获得水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率。t型谐振网络具有输出电压与负载无关的优良特性，而7型谐振网络具有输出电流与负载无关的优良特性。

16、所述的步骤一中，根据补偿网络的类型通过高阶网络分析方法或低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，当补偿网络为低阶网络时，通过低阶网络分析方法计算获取水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率，具体如下：

17、当补偿网络为低阶网络，补偿网络具体为ss型补偿网络时，首先计算获取补偿网络的输出特性，具体如下：

18、

19、

20、其中，gi和gu分别为补偿网络的输出电流增益和输出电压增益；为补偿网络的输出电流；和分别为补偿网络的输入电压和输出电压；j为虚数单位；ω为水下无线充电系统的工作频率；m为水下无线充电系统的互感；cp为原边补偿网络的补偿电容；cs为副边补偿网络的补偿电容；rl为补偿网络的等效负载；lp为原边线圈的自感；ls为副边线圈的自感。

21、补偿网络实现恒流输出和恒压输出时分别满足以下条件：

22、ω2lpcp-1＝0

23、ω4m2cpcs-(ω2lpcp-1)(ω2lscs-1)＝0

24、补偿网络的输出特征包括补偿网络的输出电流增益gi和输出电压增益gu；根据补偿网络在输出特性下的谐振条件获得补偿网络的谐振频率，根据水下无线充电系统输入阻抗zin的零相角条件对补偿网络的谐振频率进行筛选，从而获得水下无线充电系统的恒流输出频率和恒压输出频率。

25、对补偿网络进行正弦稳态分析，各电压、电流变量均为电压、电流的相量形式。由于原边线圈的寄生电阻rp和副边线圈的寄生电阻rs相对于wm很小，因此分析补偿网络输出特性时忽略rp、rs的影响。

26、所述的补偿网络的输出电流具体如下：

27、

28、

29、

30、其中，z1为原边自阻抗；z2为副边自阻抗；rp为原边线圈的寄生电阻；rs为副边线圈的寄生电阻。

31、所述的水下无线充电系统的恒流输出频率具体如下：

32、

33、ω12lpcp-1＝0

34、将水下无线充电系统的工作频率ω1作为水下无线充电系统的恒流输出频率。上述水下无线充电系统的恒流输出频率wcc可以实现输出电流增益gi与等效负载rl无关。

35、所述的水下无线充电系统的恒压输出频率具体如下：

36、

37、ω24m2cpcs-(ω22lpcp-1)(ω22lscs-1)＝0

38、其中，ω2为水下无线充电系统的第二工作频率；将水下无线充电系统的第二工作频率ω2作为水下无线充电系统的恒压输出频率。上述水下无线充电系统的恒压输出频率wcv可以实现输出电压增益gu与等效负载rl无关。

39、所述的步骤二中，在水下无线充电系统工作时，逆变电路的超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角恒定为180°，水下无线充电系统在工作时的一个大周期t内包括n个连续的小周期，逆变电路在大周期t内的d个连续的小周期内为正常输出的工作状态，在剩下的n-d个连续的小周期内为输出为零的工作状态，水下无线充电系统的逆变电路在正常输出的工作状态下时逆变电路的输出电压udc为正值或负值；计算获取水下无线充电系统的逆变电路的输出电压，具体如下：

40、

41、

42、

43、其中，up(t)为t时刻水下无线充电系统的逆变电路的输出电压；为t时刻水下无线充电系统的逆变电路的输出电压up(t)的傅里叶级数的直流分量；为傅里叶级数余弦分量系数；ω为水下无线充电系统的工作频率，为恒流输出频率或恒压输出频率；为傅里叶级数正弦分量系数；为逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的傅里叶级数余弦分量系数；为逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的傅里叶级数正弦分量系数。

44、up(t)为水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的傅里叶级数。系统分别工作在wcc、wcv这两个频率，可以实现宽范围可调的恒流输出、恒压输出。控制超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角来控制逆变电路的输出电压，对补偿网络的输入电压进行调节，也就是调节逆变电路的输出电压，将逆变电路的超前桥臂与滞后桥臂之间的移相角恒定为180°，使得对水下无线充电系统中的逆变电路进行移相控制时，逆变电路可以实现软开关的操作，提高了系统的效率，且逆变电路的输出电压调节范围没有限制。

45、所述的逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的傅里叶级数余弦分量系数和逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的傅里叶级数正弦分量系数具体如下：

46、

47、

48、

49、其中，uz(t)为逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的t时刻水下无线充电系统的逆变电路的输出电压；为逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的t时刻水下无线充电系统的逆变电路的输出电压uz(t)的傅里叶级数的直流分量。

50、uz(t)为逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的t时刻水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的傅里叶级数。

51、所述的步骤二中，水下无线充电系统的逆变电路输出电压的基波有效值up0，具体如下：

52、

53、其中，udc为水下无线充电系统的逆变电路的输入电压；逆变电路的输入电压通常恒定；系统补偿网络具有滤波作用。

54、逆变电路的输出电压的基波有效值up0满足下式：

55、

56、其中，uz0为逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的逆变电路的输出电压的基波有效值。

57、逆变电路在大周期t内均为正常输出的工作状态下的逆变电路输出电压的基波有效值uz0具体如下：

58、

59、在水下无线充电系统工作时，以调节广义占空比方法控制水下无线充电系统的逆变电路的输出电压的基波有效值，即通过改变逆变电路在大周期t内的小周期的总个数n和逆变电路在大周期t内的正常输出的工作状态的连续的小周期的个数d，实现对逆变电路输出电压的基波有效值up0的调节，将逆变电路输出电压的基波有效值up0作为逆变电路的输出电压，实现对逆变电路的输出电压的调节，从而实现对水下无线充电控制。

60、本发明的有益效果是：

61、本发明方法可以在不增加额外电路的情况下，实现宽范围可调的两级输出模式，即恒流输出模式、恒压输出模式。此外，本发明方法的逆变电路在工作过程中，可以实现软开关操作，提高了系统的效率。