[发明专利]具有负载自适应特性的ECPT系统的混杂建模方法

说明书

本发明公开了一种具有负载自适应特性的ECPT系统的混杂建模方法，根据开关管S、二极管D以及全桥逆变器的开关管S₁‑S₄的通断情况为ECPT系统设置多个工作模态，并针对每一工作模态确定其对应的状态空间方程，利用Buck变换器的边界转换条件以及全桥逆变器的边界转换条件确定各工作模态之间的边界转换条件，根据各工作模态对应的状态空间方程以及各工作模态之间的转换条件建立ECPT系统的混杂自动机模型，通过本发明提供的方法建立的ECPT系统模型更加准确，并可将ECPT系统的控制问题简化为边界计算和选择问题，为实现对具有负载自适应特性的ECPT系统的控制提供了一种新的思路。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，更具体地说，涉及一种具有负载自适应特性的ECPT系统的混杂建模方法。

背景技术

WPT(Wireless Power Transfer,无线电能传输)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无电气接触传输，现已成为国内外科研机构研究与开发的热点。其中，基于电场耦合的电能传输方式具有电能耦合机构简易轻薄，成本低且形状易变等优点；在工作状态中，电场耦合机构的绝大部分电通量分布于电极之间，对周围环境的电磁干扰很小；当电场耦合机构之间或周围存在金属导体时，不会引起导体产生涡流损耗等特点。在某些领域的应用可与基于磁场耦合的无线电能传输技术形成优势互补，因此越来越多的专家学者围绕电场耦合无线电能传输(Electric-Field CoupledPower Transfer,ECPT)技术展开研究。

在实际应用中，为了实现电能的无线传输，从电源系统到用电设备之间需要进行一系列电力电子电能变换(AC/DC、DC/DC、DC/AC等)，形成了一种多环节级联的系统结构，使得ECPT系统具有高阶、非线性特性。系统主电路拓扑包含了众多的开关管，各开关管的开关时序由其对应环节的控制策略所确定，从本质上看，ECPT系统的动力学演化过程是由其开关网络的离散动态过程和线性工作模态的连续动态过程共同组成，两个过程相互耦合，相互作用。此外，ECPT系统本身工作频率高、对系统参数变化敏感，这都给系统的设计与控制带来了很大的困难，因此有必要建立系统的精确模型，准确认识系统的内在运行规律，为系统设计与优化提供一定的理论依据。在ECPT系统建模方面，目前主要有交流阻抗法、广义状态空间平均法(GSSA)和频闪映射法等建模方法得到应用，其中，交流阻抗法是一种针对正弦交流激励下电路稳态的频域分析方法，该方法只能对系统的稳态特性进行分析，无法分析系统的动态特性。GSSA方法在状态空间平均法的基础上，将时域周期信号表示成傅里叶级数的形式，用共轭的低阶谐波分量来近似原始信号，将非线性的谐振电路线性化。然而，当系统为高阶系统时，由各阶傅里叶分量构成的系统增广系数矩阵会异常庞大，导致系统模型变得非常复杂。频闪映射建模方法通过求解周期不动点的隐函数方程，可以准确得到电路变量的连续运动轨迹，但是较多的开关模态会使频闪映射方法的计算过程变得非常复杂。

混杂系统理论是控制领域近年来兴起的研究热点之一，专门研究连续动态特性和离散动态特性相互作用的复杂行为特性。其理论和应用研究在电力电子领域尚处于开拓阶段，其还未应用在ECPT系统中。与小信号建模方法将非线性系统线性化不同，混杂建模方法完全按照电路特性运行，意义明确。因此，如何基于混杂系统理论进行ECPT系统建模成为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有负载自适应特性的ECPT系统的混杂建模方法。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：