0 引 言

电动汽车充电的传统方案是通过电缆以有线的方式由充电桩从电网直接获取电能。有线充电时,充电插座或者电缆线通常有裸露在外的部分,大功率充电就容易产生电火花和电弧,存在重大安全隐患;同时传统的有线充电需要用户进行手动操作,人为疏忽和充电插座频繁插拔产生的硬件磨损均容易造成接触不良,导致发生大功率环境下的人身安全事件。相反,无线充电具有完全绝缘、避免触电危险、避免短路和漏电危险、无须人工操作、车辆随停随充等优势。无线充电最大的优势是供电端可以建设在地面以下,无须占用宝贵的地面空间。基于此,电动汽车无线充电技术已经成为当前的研究热点[1-4]。

当前,电动汽车无线充电系统的研究工作,主要集中于如何实现更大的功率、更好的补偿拓扑结构、更佳的控制性能、更低的电磁泄漏问题等方面。其中,文献[5-8]提出利用多逆变器并联的方法来提升系统的功率输出能力,并对多个并联逆变器间可能存在的环流进行控制。文献[9-10]对几种新型的补偿电路进行分析,实现发射端始终处于最大励磁状态以及接收端单位功率因数运行等优良特性。文献[11-12]研究不同补偿拓扑下的输出功率控制问题。文献[13-15]对双向无线电能传输的电路拓扑及其控制进行研究,实现车载电池对电网的无线供电。文献[16-17]对电磁泄漏问题进行研究,并指出在适当添加磁屏蔽措施条件下,人体暴露于电动汽车充电泄漏的磁场强度能够满足当前标准的要求。

尽管上述提升功率、控制性能、磁泄漏等方面的研究对推动电动汽车无线充电系统具有重要的作用,但无线充电系统的电路保护问题并没有得到足够的重视,特别是大功率输出时保护问题尤其突出。在充电过程中,如果车辆离开时没有发出停止充电指令或者该指令没有被发送端接收到,则极有可能发生逆变器过流或者零电压运行状态失调等问题,从而造成逆变器损坏。接收端因故短路或断路时,接收端反射到发送端的等效串联阻抗为零,同样也可能会造成过流或者ZVS失调而造成逆变器损坏。上述场景实际上都可以归结为接收端阻抗的消失。

本文设计了一套能够实时检测接收端阻抗消失的电路系统及其保护算法,在检测到上述异常发生时切断逆变器以保护主电路。以串-串补偿的无线充电系统为例,分析接收端阻抗消失时系统逆变器电流变化及电流滞后于输出电压角度的变化。针对上述变化,设计检测算法和原型机系统,最后对原型机性能进行试验验证。

1 接收端阻抗消失对系统的影响分析

1.1 串-串补偿无线电能传输电路拓扑

简单的串-串补偿无线电能传输系统主电路如图1所示。其中,C1、L1和r1分别是发送端谐振电容、谐振电感、寄生电阻;C2、L2和r2分别是接收端谐振电容、谐振电感、寄生电阻;M是互感;Ud、CBus分别是发送端直流电压源和支撑电容;RL是接收端负载电阻。

图1 串-串补偿无线电能传输系统主电路

1.2 逆变器输出电流与相位角分析

由于总的输出电流是由6个半桥逆变器合成,因此每个桥臂输出电流为33.3 A时,总的合成输出电流可达200 A。因此,要得到200 A的保护电流,只需要设置每一相桥臂的过流保护电流为33.3 A。

(1)

(2)

同时各自的无负载品质因数为

(3)由图4可知,逆变器运行频率在0.98<ω/ω0_1<1.02的范围之内时,若接收端消失,逆变器电流将超过80 A。

Q0_1=ω0_1L/r1

(3)

Q0_2=ω0_2L/r2

(4)

为实现上一节所描述的保护功能,需要测量逆变器输出电流的有效值和相位角。为此,设计检测电路。检测电路框图如图6所示。

(5)

(6)

互感M的效应可以等效为在发送端电路串联了一个阻抗Zref,其值为[18]

Zref=(ωM)2/Z2

(7)

则发送端逆变器的总输入阻抗为

Z=Z1+Zref

(8)

据此可计算逆变器输出电流I1及电流滞后于电压的相位角θ:

I1=Um/Z

(9)

(10)

式中: Um——逆变器输出电压的幅值;

imag(Z)、real(Z)——Z的虚部和实部。

接收端电流和功率分别为

I2=jωMI1/Z2

(11)

PL=|I2|2RL/2

(12)

1.3 逆变器输出电流与相位角分析仿真

以文献[4]所描述的无线电能传输系统参数作参考,仿真参数设置如表1所示。另外,为表示自谐振频率与运行频率的不同,假定自谐振频率ω0_1、ω0_2变动范围是运行频率的0.8～1.2倍。为方便,仿真时ω0_2只在该范围内取5个典型值。

表1 仿真参数设置

参数参数含义数值RL/Ω接收端负载电阻5.0r1/Ω发送端寄生电阻0.1r2/Ω接收端寄生电阻0.05ω/kHz系统运行角频率534L/μH谐振电感37M/μH互感7.4ω0_1/kHz发送端自谐振角频率480.6～587.4ω0_2/kHz接收端自谐振角频率ω[0.8,0.9,1.0,1.1,1.2]Ud/V对应于不同ω0_2时的直流电压源电压[155,210,250,200,140]

假设逆变器的输入是可调的直流电压源。通过仿真可知,当逆变器输出电流滞后于电压20°(保证开关管的ZVS状态),且在5个典型的ω0_2值对应的输入直流电压分别为155 V、210 V、250 V、200 V、140 V的条件下,均能保证接收端功率接近于3.3 kW。

基于式(9),使用MATLAB编写仿真脚本可得逆变器输出电流有效值随频率变化的曲线,如图2所示;同理,基于式(10),可得逆变器输出电流滞后于电压时相位角随频率变化的曲线,如图3所示。当接收端阻抗消失时,令M=0,使用上述同样方法。负载消失时输出电流有效值随频率变化曲线如图4所示;负载消失时输出电流相位角随频率变化的曲线如图5所示。

图2 逆变器输出电流有效值随频率变化的曲线

图3 逆变器输出电流相位角随频率变化的曲线

图4 负载消失时输出电流有效值随频率变化的曲线

图5 负载消失时输出电流相位角随频率变化的曲线

1.4 仿真结论

分析图2～图5,可得到如下结论:

(1)由图2可知,设定正常输出最大功率为3.3 kW时,在表1给定的频率偏差范围条件下,逆变器输出电流的最大值不超过80 A。

(2)由图3可知,即使运行频率低于发送端的自谐振频率,在某些条件下也可以满足逆变器ZVS运行状态的要求。如ω/ω0_2=0.8时,逆变器以ω=0.98ω0_1的频率运行,相位角为30.8°时满足ZVS状态。此时若接收端消失,相位角将小于0°。

词，又称曲子词。初创阶段是配合着乐曲来演唱的，通常是乐曲先行，再根据曲的长短、节奏填上词句，乐曲有所属宫调，宫调不同，则声情不同。另外，词作的文本形式也根据不同的词牌有不同的格律形式。《词调史研究》中写道“词调声情，既指词调音乐形式所体现出的风格特征，也包含词调语文形式展示的音韵魅力”[4]61。所以本节从宫调与用韵着手，探析《卜算子》的声情特征。

此外，通过对茄子幼苗进行嫁接处理，能够进一步增加茄子的生产性能，发挥砧木适应能力强、吸水能力强的特点。嫁接成活以后，增强幼苗的抗病性能，提高移栽后的成活率，确保幼苗移栽后能够快速成活，健壮生长。要结合本地区茄子种植实际科学选择茄子砧木。

显然，学生从例1的分析过程中至少有两点收获：其一，解题首先明确要做什么，再借助“知识溯源”找准解题思路的切入点，确定转化方向；其二，当思维转化受阻时，懂得如何通过挖掘条件的隐含信息适时调控，激活受阻思维的活力点，强化了转化技能．换言之，学生不仅知道“怎样做”，还懂得“为什么这样做”，从而学会“怎样想”，转化能力自然也就得到有效锤炼与全面提升．

(4)由图5可知,逆变器运行频率在0.98<ω/ω0_1<1.02的范围之外时,若接收端消失,相位角将小于-82.72°或大于82.86°。本文把相位角明显低于正常值称为相角失调,将相位角明显高于正常值称为相角饱和。

2018年以来中美贸易摩擦愈演愈烈。究其主要原因，一方面是中国经济的快速增长，另一方面是美国在20世纪80年代中后期国际竞争力减弱、经济衰退。这使得美国认为其国际地位受到了威胁，国际话语权面临被削弱的风险。

鉴于仿真时设定的自谐振频率与运行频率的范围足够宽,综合(3)和(4)可得出如下结论:对于任意的电动汽车无线充电系统,适当地定义过流定值和相位定值,若接收端消失,要么逆变器电流过流,要么相位角失调或饱和,要么过流和相位失调或饱和同时出现。

1.5 保护定值的确定

该电路首先通过电流变送器CT,获取逆变器输出电流iSENS。该电流通过一个采样电阻转换成电压信号后进行滤波与放大。将滤波后的比较干净的正弦波iFILT送入电压比较器1,得到与该正弦波相角一致的方波信号SIG。再将SIG送入FPGA,与逆变器驱动信号DRV(也由FPGA产生)比较得到两者的相角差,即逆变器输出电流滞后于电压的相角。

(1)相角失调区,即θ<0°区域。在实际的无线充电系统中,长期处于非ZVS状态运行会在开关管上产生很大的开通损耗,是不允许的。此时系统会将运行频率向上调整以离开该区域。频率调整的结果:① 进入过流保护区;② 在频率超过SAE TIR J2954标准规定的频率上限(90 kHz)后,还无法达到θ>0°。

1.3.3 血清肿瘤标志物表达检测 在治疗前后抽取空腹静脉血3～5 mL，3 000 r/min离心10 min，取上层血清，‐20℃冰箱保存，采用酶联免疫吸附（ELISA）法测定癌胚抗原（CEA）、载脂蛋白A1（ApoA1）表达情况。

本文采用BP神经网络方法对近似信号aj进行理论分析。BP神经网络是一种按照误差逆向传播算法进行训练的多层前馈网络，能够自学习和储存大量的输入输出之间的映射关系[6-8]。本文采用的是3层BP神经网络，依次为输入层、隐含层、输出层。令第k层中第i个神经元输入总和为输出为隐含层k与输出层中各个神经元之间的关系记为fk(k=2，...，m)，第k-1层的第j个神经元到第k层的第i个神经元的连接权值为则各变量之间的数学关系表示为：

(2)过流保护区,即0°<θ<50°区域。接收端消失后,系统在此区域内运行时逆变器输出电流将超出正常范围。

(3)相角饱和区,即θ>50°区域。在实际的系统中,电流滞后电压太多时,会有很大的无功环流,系统运行效率低下。此时系统会将运行频率向下调整以离开该区域。频率调整的结果:① 进入过流保护区;② 在频率低于SAE TIR J2954标准规定的频率下限(80 kHz)后,还无法达到θ<50°。

因此,可以设置保护定值及条件:电流保护定值I1rms>200 A;相角失调保护定值θ<9°且f> 90 kHz;相角饱和保护定值θ>50°且f<80 kHz。

3.1.1 器官捐献者是否应得到经济补偿 表2显示，61.26%的护士认为器官捐献者应该得到一定的经济补偿，高于李超[5]等人的研究（29.70%）。经济补偿目前还存在较多争议。在护士看来，这种经济补偿是对器官捐献的一种激励方式，但由于相关法律对补偿金额没有明确规定，导致公众或患者误将经济补偿等同于器官买卖。提示我们为使公众尽快接受器官捐献，除了知识宣传外，更重要的是完善、细化法律对器官捐献的激励机制。

上述相角失调保护定值中,使用了θ<9°而不是θ<0°,是因为真实系统需要θ角大于一定的值才能达到ZVS运行。本文选取9°,以简化分析。

上述电流保护定值比为1.3和1.4,仿真分析得到的可能最大电流更大一些,是为了适用于更大功率的系统。

2 检测电路设计与相角计算

2.1 检测电路

发送端阻抗Z1和接收端阻抗Z2为

那么无人驾驶时代真的来临了吗？“虽然各大企业不断宣布无人驾驶或自动驾驶在技术上的突破，但是从技术突破到真正规模化运行，中间还有太多要解决的问题。”[9]有理由相信，无人驾驶时代终会来临，只是尚需时日去发展与接受检测，基于此，立法或法律制度应积极做出变革，迎接无人驾驶时代的到来。

图6 检测电路框图

结合图4和图5,根据相角的大小,将相角划分为3个区域:

另一方面,iFILT经过整流后得到其有效值UFILT,送入电压比较器2与参考电压UREF进行比较。调整可调电阻,可保证逆变器输出电流在设定值范围内时,即UREF>UFILT,电压比较器2的输出FAULT一直为高电平。当过流发生时,UREF<UFILT,FAULT由高电平变成低电平。FPGA检测到FAULT由高电平变为低电平时,即可检测到过流的发生。

需要说明的是,电流的测量也可通过A/D采样的方式来实现。但常用的A/D采样芯片的速度较慢,难以在很短的时间内(<1 ms)检测到电流的突变,因此难以满足保护电路所需的实时性要求。

2.2 相角测量在FPGA中的实现方法

假定FPGA的基频是fFPGA,系统运行频率为fSWITCH。考虑到每个运行周期中,开关管要开通和关断各一次,则每次切换需要计数的FPGA基波周期数为

NPERIOD=fFPGA/(2fSWITCH)

(13)

为产生逆变器开关管的驱动信号和测量电流滞后电压的相角差,设计两个定时器/计数器,分别为Timer1和Timer2。其中,Timer1对FPGA的基波进行计数,计数值每次从0开始,到NPERIOD时结束并翻转一次输出DRV信号;Timer2对相差进行计算,每次在Timer1产生一个高电平到低电平的跳变时启动对FPGA基波计数,在接收到电流触发的SIG信号由高电平到低电平跳变时结束。假设在这段时间Timer1对基波的计数值为NDIFF,则可得到电流滞后于电压的角度为

(14)

上述相关计算方法中,假设DRV信号与逆变器输出电压信号没有延迟。但是实际上,由于驱动电路PCB布线时寄生电感的存在、驱动电路元件的响应延迟,以及开关管开通和关断延迟,都会导致电压信号滞后于驱动信号DRV。假设该滞后角为θDELAY,则实际的逆变器输出电流与电压的相角为

θ′=(θ-θDELAY+360)%360

(15)

式(14)中的初始值加上360°再对360取模,是为了保证得到的值大于0。当θ′<180°时,表示电流滞后于电压;当θ′>180°时表示电流超前于电压。θDELAY在某个运行频率时的具体值可以通过试验得到。

3 系统原型机与试验

3.1 系统原型机配置

主要分布于渠道沿线表层，南薄北厚，层厚0.1～5.0m，干强度低，韧性低。局部存在小砾石夹层。根据土工试验，该层渗透系数3.0×10-4cm/s，内聚力c=11kPa，内摩擦角φ=28°。

对于韵律活动教学而言，歌曲就是教师教学过程的催化剂，所以选择合适的音乐对于教学效果来说是至关重要的。选择了一首恰到好处的音乐，不仅能够让幼儿心情愉悦，也能够让他们兴致勃勃地去倾听。只有幼儿对歌曲的内容真正感兴趣、愿意去听歌曲表达的内容跟含义，他们才有可能在歌曲内容的基础上发挥自己的想象力，去联想与歌曲有关的内容。

图7 具备负载消失保护功能的无线充电原型机

为简化分析,假设发送端与接收端电感相同,即L1=L2=L。同时为不失一般性,假设接收端与发送端的自谐振频率不同,由各自的谐振电容不同造成(事实上,也可以假定电容相同而电感不同来表达自谐振频率的不同)。发送端和接收端的自谐振角频率ω0_1、ω0_2分别为

200 A的过流保护值设定步骤:

(1)将某个半桥逆变器的电流测量CT,换到测量总输出电流的位置。

为验证本文所提出的电路保护理论的正确性,开发了相应的实验室原型机系统,如图7所示。该原型机逆变器采用6个半桥逆变器并通过耦合电感并联来实现输出电流合成[4]。输出电流的测量使用一个1∶50变比的电流变送器来实现。使用一片XC6SLX9-3TQG144I型号的FPGA产生逆变器开关管的驱动信号,其基波频率199.5 MHz。检测电路中的电压比较器采用TS3011,运放采用LM7171,整流二极管采用BAS40。逆变器的输入直流电源采用REG75030功率模块。该功率模块通过上位机软件或CAN总线能够方便地调整输出电压。接收端整流桥后接一个6.25 Ω功率电阻来模拟电池负载。该整流桥的等效输入电阻为6.25×0.8=5.0 Ω[17]。

(2)起动无线充电系统,调整直流功率模块的输出电压直到逆变器输出总电流达到33.3 A。

1240 Microwave ablation for hyperparathyroidism of forearm transplanted autograft: a report of two cases and review of literature

(3)调整可调电阻,直到该半桥逆变器测量电路的电压比较器2输出低电平为止。

(4)将该CT换回到测量该半桥逆变器的电流位置。

由于大数据技术还在处于系统开发、不断丰富、持续创新的过程之中，因此基于大数据平台的教育教学评价体系建设还有持续发展和不断提升的基本需要，正是这样的原因要做好教育教学评价体系细节建设，全面收集高等职业院校教育教学信息和学生学习数据，以大数据技术做到对教学双方和教育过程的全面判断和科学评价，树立过程控制和终端管理的新策略和新方向，提升教育教学评价体系的功能性和说服力。

相位延迟角的测量步骤:

(1)断开接收端电路。

(2)调整发送端与接收端电容均为95 nF,在发送端谐振电路串联一个整流桥,整流桥带10 Ω的功率电阻(接整流桥的目的是保证接入一个纯电阻负载)。

(3)起动无线充电系统,并固定直流功率模块的输出电压为50 V。

(4)调整系统运行频率直到逆变器输出电流最大,此时的测量相角即为延迟相角θDELAY。经实际测定,系统在85 kHz时达到最大输出电流,测得相角在8°～10°。取其平均值,可认为θDELAY=9°。

以运行频率f=85 kHz为例,由式(13)可得,DRV信号转换一次的基波周期数为NPERIOD≈1 174。

由式(14)计算9°和50°对应的FPGA基波周期数分别为N1≈59、N2≈326。

据此,设置相角失调保护的角度定值(FPGA基波周期的个数,下同)为

0<N1_SET<59

(16)

或

N1_SET>1 233

(17)

式(16)表示0°<θ<9°;式(20)表示θ<0°(由于相角的测量是通过对FPGA基波进行计数得到的,总是大于0。当计数值超过1 233时,表示电流滞后电压189°以上,即电流超前于电压,相角为负)。

同样,设置相角饱和保护的角度定值为

326<N2_SET<1 233

(18)

3.2 保护判定流程

保护判定分成两个部分,即过流保护判定和相角保护判定。其中,过流保护在每个FPGA基波周期执行一次,因此速度很快。相角保护的判定每毫秒执行一次,其流程如图8所示。相角失调根据式(16)和式(17)来判定,相角饱和根据式(18)来判定。

在系统运行时,先进行保护判定,包括频率的调整;无保护发生且频率调整到位后,再通过调整输入直流电压的方式来调节输出功率到指定值。

图8 相角保护判定流程图

保护发生时,先将逆变器运行频率提升到200 kHz (可得到约40 Ω的感抗),以减小逆变器电流;同时断开REG75030功率模块。这是因为REG75030功率模块输出电压的降低需要一定的时间,如果直接将逆变器停止,则可能引起大电流冲击损坏。

3.3 过流保护试验

由第2节的分析可知,当ω/ω0_1非常接近1,即运行频率与发送端的自谐振频率很接近时,接收端消失后将触发过流保护。为验证该场景下的保护性能,在表1所示参数的条件下,对谐振电容进行如下调整:C1=95.0 nF,C2=105.0 nF,则自谐振角频率分别为

在上述参数条件下,起动系统运行。运行频率f=85 kHz时,调整直流电源的输出电压直到235 V,测得接收端功率3.3 kW,显示的相角约为29°(减去9°的延迟,可知实际相角约20°)。

892 Application of feature matching algorithm based on grid-based motion statistics in medical service robot

此时使用断路器断开接收端负载,系统立即起动过流保护。

3.4 相角保护试验

由第2节的分析可知,当运行频率ω与发送端的自谐振频率ω0_1偏离较多时,接收端消失后将触发相角保护。为验证该场景下的保护性能,在表1所示参数的条件下,对谐振电容做如下调整:C1= C2=86.0nF,则自谐振角频率分别为

在运行频率f=85 kHz时,调整直流电源的输出电压直至230 V,测得接收端功率3.3 kW,显示的相角约为29°(减去9°的延迟,可知实际相角约20°)。

此时使用断路器断开接收端负载,系统立即起动相角保护(相角大于59°)。

4 结 语

本文所提出的电动汽车无线充电保护方法,已经在3.3 kW、7.7 kW等多个功率级别的实验室原型机系统中得到应用。在未停止充电时车辆离开、接收端短路或开路、接收端不存在时起动充电等几个场景下,均能及时触发保护动作,停止逆变器输出和直流电源,较好地保护了主电路在异常工作场景下的安全。

【参 考 文 献】

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