一种用于双向IPT系统的基于直流电流检测的三阶段相位同步算法

《Results in Engineering》：A Three-Stage Algorithm for Phase Synchronization in Bidirectional IPT Systems Using DC Current Sensing

　　

研究人员提出了一种用于双向感应电能传输（bidirectional inductive power transfer, IPT）系统的实用相位同步算法，主要侧重于电动汽车（electric vehicle, EV）充电的无线充电接口。所提方法仅基于EV侧直流电池电流测量来调节发射端和接收端变换器之间的相位角，从而在无需额外检测硬件或复杂信号处理技术的情况下实现电网到车辆（grid-to-vehicle, G2V）和车辆到电网（vehicle-to-grid, V2G）运行。研究人员建立了数学模型来描述相位角、传输功率和直流电池电流之间的关系，为所提出的三阶段同步过程提供了基础。该方法被设计为在激活电流控制环之前执行同步，同时保持低计算复杂度和实现简单。实验验证在3 kW样机上进行，在四种垂直线圈间距下测试，所有测试情况下收敛迭代次数均少于10次，测得的相位误差在几度以内。与现有基于交流的同步技术相比，所提算法不依赖额外的高频检测硬件；相对于传统基于直流的策略，其通过三阶段相位调节过程提供了具有竞争力的收敛性能。

感应电能传输（IPT）技术为电动汽车（EV）无线充电提供了安全、便捷的解决方案。双向IPT系统支持电网到车辆（G2V）和车辆到电网（V2G）能量流动，但需要地面侧（GA）与车辆侧（VA）变换器精确同步。实际系统中，晶振频率偏差、通信延迟等因素导致初始相位角不确定，引起有功与无功功率偏离预期，甚至功率方向错误。现有同步策略中，基于交流高频测量的方法需额外传感器和复杂处理电路；基于直流测量的方法虽简单但收敛慢。因此，研究人员提出一种仅利用EV电池电流直流测量的三阶段相位同步算法，旨在简化硬件、降低复杂度并加快收敛。该论文发表在《Results in Engineering》。

研究人员基于基波近似建立了IPT系统数学模型，推导出GA和VA变换器相位角φ_vva与传输有功功率、电池电流I_Bat之间的正弦关系。分析表明，当φ_vva=±90°时有功功率最大，且I_Bat随该相位角变化。据此设计三阶段算法：阶段I确定功率流方向；阶段II以较大步长搜索最大I_Bat区域；阶段III解析估算最终相位角，避免小步长迭代。算法在电流控制环启动前执行。在3 kW样机上，针对四种垂直线圈间距（对应耦合系数k=0.4447至0.2014）进行测试，所有64个工况均在10次迭代内收敛，最终相位误差均值为1.78°，最大5.75°。与传统基于交流的同步方法相比，无需额外高频传感硬件；与基于直流的已知方法相比，迭代次数更少。

主要关键技术方法包括：第一，数学建模，假设理想补偿和基波近似，推导V_GA、V_VA、I_VA及有功和无功功率表达式，得出I_Bat与φ_vva的关系。第二，三阶段算法，阶段I利用电流阈值和90°、180°相位调整确定功率方向；阶段II采用爬山法，步长Δφ=10°，根据连续三次I_Bat测量值判断最大功率区域；阶段III通过定义参数δ消除未知增益G，用三角恒等式解析计算φ_est，进而得到最终φ_sync^ap。第三，实验验证，实验台架为3 kW双向IPT样机，GA和VA均采用SiC MOSFET功率模块，控制平台为dSPACE MicroLabBox，开关频率83.5 kHz。电池电流经一阶低通数字滤波器（截止频率25 Hz）后用于同步，迭代间隔50 ms。四种垂直间距分别为100、120、150、180 mm，对应不同耦合系数，共测试64种工况。

论文结果部分包含两个小标题：

5.1 算法性能测试：通过记录不同初始相位φ_vva下I_Bat和φ_vva的时域演化，验证算法能正确识别功率方向并收敛至目标相位。当初始相位位于错误方向时，阶段I先加90°或180°；当电流落在阈值带内时，先加90°再判断，必要时减小α_VA。所有测试案例均完成同步，且迭代次数少于10。

5.2 实验误差分析与噪声讨论：按定义计算同步误差e，统计得到整体最大误差5.75°、最小0.05°、平均1.78°，标准差1.54°。这些偏差对应的时间偏移小于基本周期的1.6%。信噪比（SNR）分析表明，滤波前平均SNR均高于40 dB，滤波后提高至高于60 dB，说明最终误差主要源于系统非理想因素而非测量噪声；但在初始低电流迭代中，滤波和电流阈值对噪声抑制至关重要。

在第6节中，研究人员将所提方法与现有AC-based和DC-based方法比较。AC-based方法需要额外传感器和高速采样，成本高；DC-based方法如扰动观察法步长小、迭代多。本文方法在迭代次数上优于文献中报道的16次，所有测试均不超过10次。虽然实际同步时间受滤波所设50 ms间隔限制，