CN103414260B - 电压型ipt系统效率优化控制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电压型IPT系统效率优化控制电路及其控制方法，原边控制电路包括原边调压电路、高频逆变电路、原边补偿电路、原边线圈、原边电流检测模块、原、副边电流比控制器以及原边线圈恒流控制模块，副边控制电路包括副边线圈、副边补偿电路、整流滤波电路、副边调压电路、副边电流检测模块以及副边恒压控制模块。其显著效果是：充分利用了原、副边电流比与系统传输效率的关系，采用原、副边电流比控制的思想实现系统效率的最优化，电路结构简单，实施方便，通过原、副边的电流电压检测，采用多路比例控制器，在保证副边输出电压稳定的同时使系统在宽负载范围内实现了最大效率的输出。

Description

电压型IPT系统效率优化控制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及感应电能传输（Inductive Power Transfer，IPT）技术，尤其涉及一种电压型IPT系统效率优化控制电路及其控制方法。

背景技术

感应电能传输技术（Inductive Power Transfer），简称IPT技术,是一种通过电磁耦合以非接触式方式向负载传递能量的一项新技术。与传统导体供电方式相比，由于IPT系统的能量传输介质是电磁场，拥有安全、可靠、灵活的特点，从而广泛应用于医学生物体供电、电动汽车无线充供电等不适合使用传统导线方式供电的场合。

作为一种能量传输技术，传输效率尤为重要。为了实现对原边的控制、保护以及保证副边输出电压的稳定，IPT系统在实际应用过程中通常在原、副边都设有功率调节电路，同时改变原、副边功率调节电路的运行状态，可以在保证副边输出电压稳定的条件下提高系统效率。对于原、副边不对称的系统，如导轨供电系统，效果尤为明显。

现有技术中，如图1所示的原、副边均为串联谐振型的感应电能传输系统，简称SS型IPT系统。由于原边不具有自恒流能力，通常会使用Buck-Boost等调压电路实现原边的恒流控制及保护。与此同时，为了在副边得到稳定的输出电压，常常也会在副边添加相应的稳压电路。这样的设计在一定程度上虽然可以保证系统输入、输出的稳定，但是系统传输效率并不能达到最优。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种电压型IPT系统效率优化控制电路及其控制方法，以电压型IPT系统为背景，通过分析传输效率与原、副边电流的关系，采用原、副电流比控制的思想对IPT系统的原边输入电流以及副边输出电压进行控制，在保证输出电压稳定的同时使系统在宽负载范围内实现了最大效率的输出。

为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

首先提出一种电压型IPT系统效率优化控制电路，包括原边控制电路和副边控制电路，所述原边控制电路包括原边调压电路、高频逆变电路、原边补偿电路以及原边线圈，所述副边控制电路包括副边线圈、副边补偿电路、整流滤波电路以及副边调压电路，在原边调压电路的输入端连接电源，在副边调压电路的输出端连接负载，其关键在于：

在所述原边控制电路中设置有原边电流检测模块，在所述副边控制电路中设置有副边电流检测模块，所述原边电流检测模块和副边电流检测模块分别将检测到的原边电流信号I_P和副边电流信号I_S送入原、副边电流比控制器中，该原、副边电流比控制器根据原边电流信号I_P、副边电流信号I_S以及电流比预设值K_ref确定电流参考值I_ref；

在所述原边控制电路中还设置有原边线圈恒流控制模块，该原边线圈恒流控制模块根据原边电流信号I_P以及原、副边电流比控制器输出的电流参考值I_ref控制原边调压电路工作；

在所述副边控制电路中设置有副边恒压控制模块，该副边恒压控制模块根据输出电压采样值V_out与输出电压预设值V_ref控制所述副边调压电路工作。

在本设计中，利用副边恒压控制模块保证副边恒压输出，然后通过原、副边的电流检测，利用原、副边电流比控制器对原、副边的电流比进行控制，在IPT系统中，当原边电压恒定时，副边电压与副边电压增益的关系既不是正相关也不是负相关，而是在某一个电压增益处取得最大值。对于电压型IPT系统而言，最大输出电压对应的电压增益通常较小，无法满足系统要求，因此需要设置原边恒流控制环节，本方案中采用原边线圈恒流控制模块实现恒流控制，最终达到系统输出效率的最优。

为了实现电流和电压的采集，所述原边电流检测模块与副边电流检测模块均采用型号为CSNP661的电流传感器模块，所述输出电压采样值V_out由电压传感器模块CHV-25P采集。实施过程中，上述各个模块也可以根据系统的功率级别选定其他型号。

对于原、副边严格要求非接触的系统而言，所述副边电流检测模块通过无线通讯模块将检测到副边电流信号I_S送入所述原、副边电流比控制器中，通过无线通信的方式保证副边电流信号I_S的准确传输。

作为一种实现方式，在所述原、副边电流比控制器的输入端连接有电流比预设值输入模块，在副边恒压控制模块上设置有输出电压预设值采集电路，所述电流比预设值输入模块用于输入电流比预设值K_ref，所述输出电压预设值采集电路用于采集输出电压预设值V_ref。

作为一种实现方式，所述原边线圈恒流控制模块与副边恒压控制模块均采用UC3823N集成PWM控制芯片，利用该芯片及相应的外围扩展电路，实现比例积分控制的功能，保证原边线圈的恒流输出和副边的恒压输出。当然上述两个控制模块也可以采用单片机或者DSP等数字控制芯片实现。

进一步描述，所述原边调压电路和副边调压电路均为BUCK_BOOST电路，该电路中设有MOS管，便于接收原边线圈恒流控制模块和副边恒压控制模块输出的PWM调压控制信号，当然也可以采用其他形式的调压电路。

基于上述电路结构的基础上，本发明还提供了一种电压型IPT系统效率优化控制电路的控制方法，主要按照以下步骤进行：

步骤1：原、副边电流比控制器根据公式1计算误差e，

$e=\ln \left(\frac{I_P/I_S}{K_{\mathrm{ref}}}\right)---\left(1\right)$

其中，I_P为原边电流信号的电流值、I_S为副边电流信号的电流值，K_ref为电流比预设值；

步骤2：按照公式2对误差e进行限幅处理，得到误差修正值e'，

$e^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}-\mathrm{Max}\_e,& e<\mathrm{Max}\_e;\\ e& -\mathrm{Max}\_e\&le;e\&le;\mathrm{Max}\_e;\\ \mathrm{Max}\_e& \mathrm{Max}\_e<e;\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，Max_e为误差阈值；

步骤3：按照固定周期采集各个时刻的误差修正值e'(t)，并根据公式3计算电流参考值I_ref，

$I_{\mathrm{ref}}=K_I\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{e}^{\&prime;}\left(t\right)+I_{\mathrm{Init}}---\left(3\right)$

其中，K_I为积分系数，I_Init为初始电流参考值；

步骤4：原、副边电流比控制器输出电流参考值I_ref到原边线圈恒流控制模块中，原边线圈恒流控制模块根据原边电流信号I_P以及电流参考值I_ref控制原边调压电路工作。

本方法主要采用原、副边电流比控制的思想，利用对数函数求误差并采用PI控制，误差范围为(-∞,+∞)，有较好的对称性。而且由于对数函数增长速度较慢，使用较大的控制增益也不会出现不稳定的情况，间接提高了控制速度。

作为一种实施方式，误差阈值Max_e＝3，积分系数K_I＝50，初始电流参考值I_Init＝25A，上述各种参数也可以根据系统功率等级以及控制速度作相应调整。

作为优选，所述电流比预设值 $K_{\mathrm{ref}}=\frac{R_S{R}_P+\sqrt{R_S^2{R}_P^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{M}^2{R}_P{R}_S}}{\mathrm{\&omega;M}{R}_P},$ 其中R_S为原边等效内阻，R_P为副边等效内阻，ω为系统谐振频率，M为系统原副边线圈间的互感。

本发明的显著效果是：充分利用了原、副边电流比与系统传输效率的关系，采用原、副边电流比控制的思想实现系统效率的最优化，电路结构简单，实施方便，通过原、副边的电流电压检测，采用多路比例控制器，在保证副边输出电压稳定的同时使系统在宽负载范围内实现了最大效率的输出。

附图说明

图1是传统SS型IPT系统的主电路图；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是原边电流检测模块与副边电流检测模块的电路原理图；

图4是输出电压采样电路的电路原理图；

图5是原边线圈恒流控制模块的电路原理图；

图6是副边恒压控制模块的电路原理图；

图7是原边调压电路和副边调压电路的电路原理图；

图8是具体实施例中系统传输效率与原、副边电流比的关系图；

图9是具体实施例中负载变化时系统输出电压波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

如图2所示，一种电压型IPT系统效率优化控制电路，包括原边控制电路和副边控制电路，所述原边控制电路包括原边调压电路1、高频逆变电路2、原边补偿电路3以及原边线圈，所述副边控制电路包括副边线圈、副边补偿电路4、整流滤波电路5以及副边调压电路6，在原边调压电路1的输入端连接电源，在副边调压电路6的输出端连接负载7；

在所述原边控制电路中设置有原边电流检测模块8，在所述副边控制电路中设置有副边电流检测模块9，实施过程中，原边电流检测模块8与副边电流检测模块9均采用型号为CSNP661的电流传感器模块。

图3所示为CSNP661电流传感器模块及其相应的扩展电路，该模块输出的I_Feedback信号即为相应的原边电流信号I_P和副边电流信号I_S。

原边电流检测模块8和副边电流检测模块9分别将检测到的原边电流信号I_P和副边电流信号I_S送入原、副边电流比控制器10中。为了实现原、副边的严格非接触式传输，副边电流检测模块9通过无线通讯模块11实现信号传输，这里的无线通讯模块11可以采用基于2.4GHz的无线通信模块，芯片型号为NRF24L01。

原、副边电流比控制器10根据原边电流信号I_P、副边电流信号I_S以及电流比预设值K_ref确定电流参考值I_ref；电流比预设值K_ref可以在原、副边电流比控制器10预设的程序中设定，也可以根据不同的应用场景采用其他方式输入，本例中在原、副边电流比控制器10的输入端连接有电流比预设值输入模块12，可以根据不同的系统输入不同的值。

为了实现原边恒流控制，在原边控制电路中还设置有原边线圈恒流控制模块13，该原边线圈恒流控制模块13根据原边电流信号I_P以及原、副边电流比控制器10输出的电流参考值I_ref控制原边调压电路1工作；

为了实现副边的恒压控制，在副边控制电路中设置有副边恒压控制模块14，该副边恒压控制模块14根据输出电压采样值V_out与输出电压预设值V_ref控制所述副边调压电路6工作。

如图4所示，输出电压采样值V_out由电压传感器模块CHV-25P采集，图中输出的V_Feedback信号即为输出电压的采样信号。

而输出电压预设值V_ref则通过配置相应的采样电路进行采集，本例中，在副边恒压控制模块14上设置有输出电压预设值采集电路15。

在本实施例中，原边线圈恒流控制模块13与副边恒压控制模块14均采用UC3823N集成PWM控制芯片。

如图5所示，原边线圈恒流控制模块13以UC3823N为主控芯片，原边电流信号I_P从I_Feedback端输入，电流参考值I_ref输入UC3823N芯片的第2管脚，14号管脚输出PWM信号，经过驱动芯片驱动原边调压电路1中的MOS管。

如图6所示，副边恒压控制模块14也以UC3823N为主控芯片，输出电压采样值V_out从V_Feedback端输入，16号管脚的反馈电压作为输出电压预设值V_ref，经过可变电阻Rt3与电容C7、C8组成的输出电压预设值采集电路15，最后转换为电流信号输入到UC3823N芯片的第2管脚，14号管脚输出PWM信号，经过驱动芯片驱动副边调压电路6中的MOS管。

如图7所示，为了控制与实现的方便，所述原边调压电路1和副边调压电路6均为BUCK_BOOST电路。图中的MOS管即为原边线圈恒流控制模块13和副边恒压控制模块14所控制的MOS管。

上述描述中，电流传感器模块CSNP661、电压传感器模块CHV-25P、无线通信芯片NRF24L01、集成PWM控制芯片UC3823N以及BUCK_BOOST电路均为本领域熟知的技术，其具体使用方式以及工作原理不再赘述。

本发明的另一要点在于提出一种电压型IPT系统效率优化控制电路的控制方法，主要按照以下步骤进行：

步骤1：原、副边电流比控制器10根据公式1计算误差e，

$e=\ln \left(\frac{I_P/I_S}{K_{\mathrm{ref}}}\right)---\left(1\right)$

其中，I_P为原边电流信号的电流值、I_S为副边电流信号的电流值，K_ref为电流比预设值；

步骤2：按照公式2对误差e进行限幅处理，得到误差修正值e'，

$e^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}-\mathrm{Max}\_e,& e<\mathrm{Max}\_e;\\ e& -\mathrm{Max}\_e\&le;e\&le;\mathrm{Max}\_e;\\ \mathrm{Max}\_e& \mathrm{Max}\_e<e;\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，Max_e为误差阈值；

步骤3：按照固定周期采集各个时刻的误差修正值e'(t)，并根据公式3计算电流参考值I_ref，

$I_{\mathrm{ref}}=K_I\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{e}^{\&prime;}\left(t\right)+I_{\mathrm{Init}}---\left(3\right)$

其中，K_I为积分系数，I_Init为初始电流参考值；

步骤4：原、副边电流比控制器10输出电流参考值I_ref到原边线圈恒流控制模块13中，原边线圈恒流控制模块13根据原边电流信号I_P以及电流参考值I_ref控制原边调压电路1工作。

要在上述电路结构的基础上实现原、副边电流比控制，其关键点在于如何选择原、副边电流比的控制方式，本发明通过对数函数来求原、副边电流比和电流比预设值的误差，并通过限幅处理，最后再采用积分运算，得到电流参考值I_ref，既保证了误差范围的对称性，又提高了系统的稳定性和控制速度。

在实施过程中，误差阈值Max_e＝3，积分系数K_I＝50，初始电流参考值I_Init＝25A。

而作为优选，电流比预设值 $K_{\mathrm{ref}}=\frac{R_S{R}_P+\sqrt{R_S^2{R}_P^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{M}^2{R}_P{R}_S}}{\mathrm{\&omega;M}{R}_P},$ 其中R_S为原边等效内阻，R_P为副边等效内阻，ω为系统谐振频率，M为系统原副边线圈间的互感。

为了进一步理解本发明的工作原理和技术效果，下面通过一个具体实验为例进行阐述。

表1系统主要参数

按照表1所示的系统参数搭建一个SS型IPT系统，其中原边恒流控制积分系数与副边恒压控制积分系数是通过原边线圈恒流控制模块13与副边恒压控制模块14中UC3823N外围元器件的参数体现出来的，而电流比控制积分系数即为K_I，将上述表格中的相关参数带入 $K_{\mathrm{ref}}=\frac{R_S{R}_P+\sqrt{R_S^2{R}_P^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{M}^2{R}_P{R}_S}}{\mathrm{\&omega;M}{R}_P},$ 可得电流比预设值K_ref＝0.5034。

实验中将电流比预设值依次从2降到0.15，得到不同电流比时系统的效率，并绘制成曲线。如图8所示，与理论曲线作对比可以看出，实验结果与理论分析几乎重合，在电流比预设值K_ref＝0.5附近，系统效率达到最大值，且在两组不同负载下均有相同结论。

将电流比预设值设为K_ref＝0.5034，负载电阻从4Ω～36Ω变化，测试输出电压。参见图9可以看出，输出电压在0.3秒内可以进入稳定状态，且在负载发生变化时波动范围不超过40V，满足一般IPT系统对输出电压稳定性的要求。

Claims (3)

1.一种电压型IPT系统效率优化控制电路的控制方法，其电路包括原边控制电路和副边控制电路，所述原边控制电路包括原边调压电路(1)、高频逆变电路(2)、原边补偿电路(3)以及原边线圈，所述副边控制电路包括副边线圈、副边补偿电路(4)、整流滤波电路(5)以及副边调压电路(6)，在原边调压电路(1)的输入端连接电源，在副边调压电路(6)的输出端连接负载(7)；

在所述原边控制电路中设置有原边电流检测模块(8)，在所述副边控制电路中设置有副边电流检测模块(9)，所述原边电流检测模块(8)和副边电流检测模块(9)分别将检测到的原边电流信号I_P和副边电流信号I_S送入原、副边电流比控制器(10)中，在所述原边控制电路中还设置有原边线圈恒流控制模块(13)，在所述副边控制电路中设置有副边恒压控制模块(14)；

其特征在于，上述电路按照以下步骤进行控制：

步骤1：原、副边电流比控制器(10)根据公式1计算误差e，

$e=\ln \left(\frac{I_P/I_S}{K_{\mathrm{ref}}}\right)---\left(1\right)$

其中，I_P为原边电流信号的电流值、I_S为副边电流信号的电流值，K_ref为电流比预设值；

步骤2：按照公式2对误差e进行限幅处理，得到误差修正值e'，

$e^{\&prime;}=\left\{\begin{array}{cc}-\mathrm{Max}\_e,& e<-\mathrm{Max}\_e;\\ e& -\mathrm{Max}\_e\&le;e\&le;\mathrm{Max}\_e;\\ \mathrm{Max}\_e& \mathrm{Max}\_e<e;\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，Max_e为误差阈值；

步骤3：按照固定周期采集各个时刻的误差修正值e'(t)，并根据公式3计算电流参考值I_ref，

$I_{\mathrm{ref}}=K_I\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{e}^{\&prime;}\left(t\right)+I_{\mathrm{Init}}---\left(3\right)$

其中，K_I为积分系数，I_Init为初始电流参考值；

步骤4：原、副边电流比控制器(10)输出电流参考值I_ref到原边线圈恒流控制模块(13)中，原边线圈恒流控制模块(13)根据原边电流信号I_P以及电流参考值I_ref控制原边调压电路(1)工作。

2.根据权利要求1所述电压型IPT系统效率优化控制电路的控制方法，其特征在于：误差阈值Max_e＝3，积分系数K_I＝50，初始电流参考值I_Init＝25A。

3.根据权利要求1所述电压型IPT系统效率优化控制电路的控制方法，其特征在于：所述电流比预设值其中R_S为原边等效内阻，R_P为副边等效内阻，ω为系统谐振频率，M为系统原副边线圈间的互感。