基于特征比较的无线充电系统的故障识别方法

钱 强，闫丽华，董芮雯，黄海宇

（北京师范大学珠海分校，珠海 519087）

无线充电系统（wireless charging system）正在被广泛应用，对其稳定性和可靠性的要求也越来越高[1-4]。无线充电系统电子器件繁多，故障后一一检查费时费力。如果当故障发生时，能迅速找到故障位置，进而维护或隔离，就可以进一步扩展无线充电系统的应用场合，因此故障识别具有重要的理论价值和实际意义。而无线充电系统与其他电力电子电路比较起来，无线充电系统内部多级级联，故障特点不明显，发生故障后影响会被放大，传统的故障识别方法很难达到理想效果，因此无线充电系统的故障识别方法一直是研究难点[5-15]。

目前国内外尚未有成熟的、普适的无线充电系统故障识别方法。文献[16]建立了无线充电系统母线电流和负载电阻的关系，通过估计负载电阻大小来判断系统是否发生故障，不足之处在于该方法不能得到故障位置；文献[17]收集了无线充电系统多种故障的多点电压电流数据，应用BP神经网络，建立故障诊断的方案，该方法需要大量实验数据训练，计算量大，具有一定的实时监测能力；文献[18]推导了原边电流电压与空载的关系，提出一种空载保护的检测方法。

本文通过分析无线充电系统原边和副边母线电压、电流与各种故障特征间的关系，提出利用原边和副边母线电压、电流信号进行故障识别，采样点少，实时性好。最后仿真验证了本方法的准确性。

1 无线充电系统故障模型建立

无线充电系统常见的谐振网络包括SS、SP、LCL-LCL、LCC-LCC型等多种，由于SS型的谐振频率不受原副边耦合系数影响，所用元件少，系统阶数小，控制简单，因此被广泛使用。

SS型无线充电系统如图1所示，本文分析的系统电路拓扑包括整流电路 （D1-D4，4个普通二极管）、电容滤波（Cdc1）、逆变电路（V1-V4，4 个 MOS 管构成全桥）、副边整流（D5-D8，4个快恢复二极管）、滤波电路（Cdc2）、原副边线圈互感（Lm）、原副边谐振线圈（电感 L1、L2，内阻 R1、R2）、谐振电容（C1、C2）以及电阻负载（RL）等部分。

图1 SS型无线充电系统Fig.1 Wireless charging system with S-S resonant network

当系统正常稳定运行时，系统开关频率与谐振网络频率相同，都为 f，角频率 ω=2πf。

定义原边整流电路与逆变电路间的直流部分为原边母线，副边整流电路与负载电阻间的直流部分为副边母线，在交流市电被二极管不控整流并滤波后的母线电流I1，原边滤波电容两端的母线电压U1。原边逆变后电压Up，流过原边线圈的电流Ip，副边谐振电压Us，流过副边线圈电流Is。副边整流后的母线电流I2，副边滤波电容两端的母线电压U2。T型等效电路如图2所示。系统正常运行时，等效电路如图3所示。

图2 T型等效电路Fig.2 T-type equivalent circuit

图3 正常运行时的等效电路Fig.3 Equivalent circuit under normal operation

原边和副边建立电压方程

式中：ULm1和ULm2分别为互感Lm在原、副边的感应电压；UL1、UL2、UR1、UR2、UC1和 UC2分别为谐振线圈和谐振电容上的电压。

则原边、副边阻抗分别为

将式（3）～式（5）代入式（1）～式（2）得[19-20]

当原边线圈和副边发生最佳谐振时，有

将式（10）～式（12）代入式（8）～式（9）得

图2中，当系统正常输电运行时，有

2 无线充电系统各故障情况分析

无线充电系统常见的故障有：原、副边母线接地、原边母线断开、负载开路、原边逆变桥开路和副边整流桥开路[21]。根据对无线充电模型的分析，可得到上述6种故障情况的原、副边母线电压、电流关系。

（1）原边母线接地时，有

原边母线接地，原边母线电压、电流立刻为0，显然能量无法从原边传送到副边，即副边母线电压、电流也为0。

（2）副边母线接地时，有

副边母线接地，使副边母线电压立刻为0，副边母线电流变化不大。副边的短路电阻影响下，使原边母线电流下降为很小值。

（3）原边母线断开时，有

（4）负载开路时，有

负载开路，副边整流后连接到整流电容Cdc2上，母线电压上升到数倍，显然该故障具有极强的破坏。原边母线电压降低，原边母线电流上升到额定值的数倍。

（5）原边逆变桥开路时，有

原边逆变桥损坏，其中一条支路的开关器件损坏开路，原边谐振电压变为U1（可正可负）和零电平。能量只能在电路的半个周期作用下传送到副边，原边母线电流变为+Ip和0，副边整流后母线电压和电流降低几乎一半。该故障具有隐蔽性。

（6）副边整流桥开路时，有

副边整流桥损坏，其中一条支路的开关器件损坏开路，使系统失去谐振，能量无法有效传送。原边谐振电流在数倍额定值范围变化，副边谐振电压在0至数kV之间强烈振荡，副边母线电压、电流为0。

3 特征提取建模

利用ANSYS simplorer软件建立了一套3 kW无线充电系统，用于分析本文提出的故障识别方法，模型主要参数如表1所示。

当系统正常运行时，原、副边的母线电压和电流仿真波形分别如图4和图5所示。原边母线电压为278 V，电流13.2 A；副边母线电压297 V，电流9.4 A。模型仿真时间1.0 s，在0.5 s时利用一个理想开关的通断来模拟模型故障情况，得到故障前后的原、副边母线电压、电流仿真波形，如图6～图17所示。

表1 系统主要参数Tab.1 Main parameters of system

图4 正常运行时的原、副边母线电压仿真波形Fig.4 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses under normal operation

图5 正常运行时的原、副边母线电流仿真波形Fig.5 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses under normal operation

3.1 原边母线接地故障分析

0.5 s发生原边母线接地故障，仿真波形如图6和图7所示，原边母线电压电流立刻为0，副边母线电压电流也很快为0。

图6 原边母线接地的原、副边母线电压仿真波形Fig.6 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on primary side

图7 原边母线接地的原、副边母线电流仿真波形Fig.7 Curren simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on primary side

3.2 副边母线接地故障分析

副边母线接地，负载电阻RL被短接，原、副边母线电流仿真波形如图8和图9所示。副边母线电压立刻为0，由式（14）和第2.2节分析可知，副边母线电流略增加，为11.8 A。由式（13）可得，原边母线电流下降到很小的值，为0.7 A。

3.3 原边母线断开故障分析

图8 副边母线接地的原、副边母线电压仿真波形Fig.8 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on the secondary-side

图9 副边母线接地的原、副边母线电流仿真波形Fig.9 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus grounding on the secondary-side

3.4 负载开路故障分析

负载开路，RL相当于无穷大，由式（14）可知分母项明显增大数倍，副边母线电流减小接近0，由式（17）可知副边母线电压增大数倍，上升到2 kV以上。仿真波形如图12和图13所示。

3.5 原边逆变桥损坏故障分析

图10 原边母线断开的原、副边母线电压仿真波形Fig.10 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus disconnected from the primary side

图11 原边母线断开的原、副边母线电流仿真波形Fig.11 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with bus disconnected from the primary side

图12 负载开路的原、副边母线电压仿真波形Fig.12 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with load open

图13 负载开路的原、副边母线电流仿真波形Fig.13 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with load open

图14 原边逆变桥损坏的原、副边母线电压仿真波形Fig.14 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with primary-side inverter damage

图15 原边逆变桥损坏的原、副边母线电流仿真波形Fig.15 Curren simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with primary-side inverter damage

原边逆变桥损坏，其中一条支路的开关器件损坏开路，仿真波形如图14和图15所示。原边逆变电路输出电压半个周期内为U1，另半个周期为0，能量也只能一半周期传送到副边，原边母线电压上升到304 V，原边母线电流小于一半的正常值。副边整流后母线电压和电流降低一半，分别为156 V和5.1 A。

3.6 副边整流桥损坏故障分析

副边整流桥损坏，其中一条支路的开关器件损坏开路，系统失去谐振。原边母线电流在－40～140 A范围振荡，原边母线电压在150～305 V之间振荡，副边母线电压、电流均为0。仿真波形如图16和图17所示。

图16 副边整流桥损坏的原、副边母线电压仿真波形Fig.16 Voltage simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with secondary-side rectifier damage

图17 副边整流桥损坏的原、副边母线电流仿真波形Fig.17 Current simulation waveforms on primary-and secondary-side buses with secondary-side rectifier damage

参考第3.1～3.6节的分析，将图4～图17的数据汇总到表2，可以看出，故障发生时的原、副边电压和电流平均值与前面的故障模型分析一一对应，具有明显特征，因此可以利用这些故障特征对比作为故障识别的方法。电压和电流信号分别与对应参考值做比较，就可以判断出具体的故障原因。

表2 故障特征数据（平均值）Tab.2 Data of fault features（average values）

4 仿真验证和识别结果

利用前文所述的理论基础，本文制定了故障识别方案，其流程如图18所示。

图18 故障识别流程Fig.18 Flow chart of fault identification

首先在原边控制器的故障识别模块中设置合理的原边发射侧电压最大最小参考值U1max和U1min，U1max＞U1min；设置原边发射侧电流最大最小参考值I1max和 I1min，I1max＞I1min；设置副边接收侧电压最大最小参考值 U2max和 U2min，U2max＞U2min； 设置副边接收侧电流最大最小参考值 I2max和 I2min，I2max＞I2min； 然后利用原、副边母线的电压、电流AD采样电路，得到具体信号值；把副边信号传送给原边控制器，最终原边发射侧电压电流信号、副边接收侧电压电流信号分别与对应参考值1、参考值2做比较。故障特征如表3所示，如果满足表3中相应的条件，即可判断出故障发生的位置和原因。

表3 故障特征比较Tab.3 Comparison of fault features

为了测试该故障识别方法的实际效果，利用Simplorer软件搭建测试电路，在不同负载电阻 （10～50 Ω）下，且考虑市电电压波动（0.9～1.1 p.u.），模拟以上6种常见故障。其中0.10 s时发生原边母线接地，0.15 s时恢复；0.20 s时发生副边母线接地，0.25 s时恢复；0.30 s时发生原边母线断开，0.35 s时恢复；0.40 s时发生负载开路，0.45 s时恢复；0.50 s时发生原边逆变桥损坏，0.55 s时恢复；0.60 s时发生副边整流桥损坏，0.65 s时恢复。

图19和图20分别为在6种故障情况下的原、副边母线电压和电流仿真波形，图21和图22为两图的局部放大。518.5 ms时原边母线电压、电流分别为303.45 V、3.58 A，副边母线电压和电流分别179.83 V、6.08 A，其数值分别与表3中对应电压、电流参考值（300 V、200 V；15 A、1 A；350 V、30 V；13 A、2 A）比较。比较结果为：大于300 V、大于200 V；小于15 A、大于 1 A；小于 350 V、大于 30 V；小于13 A、大于2 A，符合表3中原边逆变桥损坏特征。

图19 原、副边故障母线电压仿真波形Fig.19 Fault bus voltage simulation waveforms on primary and secondary sides

图20 原、副边故障母线电流仿真波形Fig.20 Fault bus current simulation waveforms on primary and secondary sides

图21 原、副边母线电压平均值仿真波形局部Fig.21 Part of voltage average values simulation waveforms on primary-and secondary-side buses

图22 原、副边母线电流平均值仿真波形局部Fig.22 Part of current average values simulation waveforms on primary-and secondary-side buses

故障识别结果如图23所示，可以看出，经过短暂的采样和计算时间，故障时的电压、电流数值比较结果符合表3中对应各规则，故障识别模块输出1～6，即对应的6种故障类型能被准确分辨。

图23 故障识别结果Fig.23 Fault identification results

5 结语

本文分析了无线充电系统的故障下等效模型，讨论了6种故障下的谐振网络原、副边母线电压、电流与故障位置的关系，提出了数值关系作为故障特征的方法。进而基于该特征提出一种在线故障定位方法，并通过仿真验证了该方法适用于无线充电系统的故障识别，具有一定的可靠性和实用性。