CN104716752A - 一种感应电能传输控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种LCL型感应电能传输控制装置，包括初级部分和次级部分，其特征在于：所述初级部分设有两个闭环回路，分别为变频控制回路和移相控制回路，所述变频控制回路采用频率跟踪方法控制高频逆变电路门控信号的频率，所述移相控制回路采用智能分段控制算法的移相控制策略控制高频逆变电路门控信号移相角。本发明的优点是：本发明只在初级进行控制，初、次级之间不需要常规的信息反馈通道。

Description

一种感应电能传输控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及感应电能传输领域，具体为LCL型IPT系统的一种感应电能传输控制装置，也涉及一种LCL型感应电能传输控制方法。

背景技术

感应电能传输(inductive power transfer,IPT)是一种借助电磁感应原理来实现的非接触电能传输技术，具有较安全、可靠等优点，在电动汽车、手机等电子产品和家用电器等领域拥有广阔的应用前景。

LCL型IPT系统由直流电源、高频逆变电路和初级谐振电路、次级谐振电路、不可控整流桥、滤波环节以及负载组成，通过采用谐振补偿技术控制系统工作频率为初级谐振频率，可以提高系统传输性能，同时也能降低成本。然而，能量传输过程中负载的动态变化，会引起系统的谐振频率变化，导致系统能量传输效率明显下降。因此，为了提高系统能量传输效率，必须采用变频控制，控制系统工作频率始终工作在谐振频率。同时，负载变化会导致初级导轨电流不稳定，影响系统电能传输的稳定性。因此，控制初级导轨电流稳定对系统能量的稳定传输有重要意义。

发明内容

本申请的目的在于提供一种LCL型感应电能传输控制装置及其方法，以解决负载动态变化时引起的系统失谐和电能传输不稳定的问题。

一方面利用频率跟踪技术实现LCL型IPT系统谐振频率的跟踪，使系统能够达到能量传输的最大化；另一方面，采用基于智能分段算法的移相控制策略控制初级导轨电流恒定，使系统负载动态变化时能量传输稳定。

本发明的目的是这样实现的：

一种LCL型感应电能传输控制装置，包括初级部分和次级部分，其特征在于：所述初级部分设有两个闭环回路，分别为变频控制回路和移相控制回路，所述变频控制回路采用频率跟踪方法控制高频逆变电路门控信号的频率，所述移相控制回路采用基于智能分段控制算法的移相控制策略控制高频逆变电路门控信号移相角。

进一步，所述初级部分由直流电压源U_dc(1)、高频逆变电路(15)和初级谐振电路(16)组成，所述高频逆变电路(15)由四个全控型开关管及其反并联二极管一(2)、反并联二极管二(3)、反并联二极管三(4)和反并联二极管四(5)组成，所述高频逆变环节将直流输入电压转换成高频方波电压输出到初级谐振网络，所述初级谐振电路(16)包括初级谐振电感L_pi(6)、初级谐振补偿电容C_T(7)、初级感应耦合线圈电感L_T(8)，不仅在初级线圈L_T周围产生高频正弦谐振波，而且具有带通滤波功能，可以有效滤除系统能量变换环节中引入的高次谐波，减小系统的EMI干扰。

进一步，所述变频控制回路由高频逆变电路(15)、驱动器(17)、变频控制电路(18)、移相变频调制器(20)组成，实现系统谐振频率跟踪。

进一步，所述变频控制电路由限幅器一(21)、频率跟踪控制算法模块(22)、滤波器(23)、鉴相器(24)、采样模块(25)组成。

进一步，所述移相控制回路由高频逆变电路(15)、初级谐振电路(16)、驱动器(17)、移相控制电路(19)、移相变频调制器(20)组成。

进一步，所述移相控制电路由限幅器二(26)、智能分段算法模块(27)、加法器(28)、信号处理模块(29)、电流检测模块(30)组成。

进一步，所述次级部分包括补偿电容C_s(10)和次级线圈电感L_si(9)、不可控整流桥(11)、滤波电感L_f(12)、滤波电容C_f(13)及负载R_L(14),通过初、次级线圈之间的耦合，次级线圈电感L_si(9)上产生感应电动势，并通过补偿电容C_s(10)和次级线圈电感L_si(9)并联构成的次级谐振网路拾取发射端传输的高频振荡能量,所述不可控整流桥(11)用于高频交流信号的整流，其输出信号经过滤波电感L_f(12)、滤波电容C_f(13)组成的滤波环节滤波，可遏制高频交流电，同时减少输出电压纹波。

进而，本发明还提供一种基于上述装置的控制方法，其特征在于：

一方面，所述变频控制电路(18)根据采样得到的电压V_pi和电流i_pi的相位差改变输出频率ω，ω作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，另一方面，移相控制电路(19)通过比较测得的系统初级导轨电流与导轨电流期望值，控制初级高频逆变电路门控信号相位角α，α作为输入信号之一输入根据输入移相变频调制器(20)，移相变频调制器根据输入频率ω和移相角α综合调制，产生两个正弦信号sinωt和sin(ωt+α)，正弦信号输入驱动器(17)产生相应的门控信号控制高频逆变电路(15)。

进一步，所述变频控制回路的实现步骤：

步骤一：采样模块(25)：提取谐振支路电压V_pi、电流i_pi，输入给鉴相器(24)；

步骤二：鉴相器(24)：比较输入电压、电流信号的相位，输出与相位差有确定正弦关系的电压信号。设输入初级谐振支路电压为：V_pi＝Vsin(ωt+θ₁)，输入的初级谐振支路电流为：i_pi＝Icos(ωt+θ₂)，则经过相位比较器(24)后得到相关的电压信号为： $U_d=\frac{1}{2}\mathrm{KVI}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)+\frac{1}{2}\mathrm{KVI}\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2);$

步骤三：低通滤波器(23)：将输入电压信号U_d中的和频分量滤掉，得到差频分量为：U_c作为输入信号输入频率跟踪控制算法模块(22)；

步骤四：频率跟踪控制算法模块(22)：设定频率初始值为30kHz,根据低通滤波器(23)输入的电压信号U_c判断初级谐振支路呈容性、感性或纯阻性，当输入电压信号小于零时，电压V_pi滞后电流i_pi，谐振支路呈现容性，增大输出频率ω；当输入电压信号大于零时，电压V_pi超前电流i_pi，谐振支路呈现感性，减小输出频率ω；当输入电压信号等于零时，电压V_pi、电流i_pi同相位，谐振支路呈现纯阻性，保持输出频率ω不变。

步骤五：限幅器一(21)：限定实际输出频率ω在10kHz和50kHz之间，作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，控制初级高频逆变电路门控信号频率。

进一步，所述移相控制回路的实现过程如下：

电流检测模块(30)：利用电流互感器原理检测初级导轨电流i_T，将检测到的电流i_T输入信号处理模块(29)；

信号处理模块(29)：根据输入电流信号计算初级导轨电流的有效值所得电流有效值I_T输入比较器(28)；

比较器(28)：比较信号处理模块中计算得到的实际电流有效值与初级导轨电流有效值期望值，e＝i_T,ref-I_T，所得误差输入智能分段控制算法模块(27)；

智能分段控制算法模块(27)：根据输入误差信号控制输出移相角α，α作为输入信号输入限幅器二(26)。

限幅器二(26)：限定实际输出移相角α在0至π的范围，作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，控制初级高频逆变电路门控信号的移相角。

进一步，所述智能分段控制算法为当控制误差很大且趋于增大时，加大控制力度，抑制误差的增加，控制器处于强控制模态；当控制误差下降，但控制误差趋于增大时，控制器进入次强控制模态，控制力度减弱；当控制误差与控制误差变化趋势相反，或控制误差很小时，控制器处于保持控制模态，即控制器输出信号不变。

本发明的优点是：本发明只在初级进行控制，初、次级之间不需要常规的信息反馈通道。本发明提出的控制装置及其方法能使LCL型IPT系统在负载动态变化时工作在谐振频率，同时能保证初级导轨电流稳定，使系统能量稳定传输。

附图说明

图1：LCL型IPT系统的原理框图。

图2：本发明的控制原理框图。

图3：变频控制电路的原理图。

图4：移相控制电路的原理图。

图5：移相变频调制器和驱动器的示意图。

图6：本发明的实施例中智能分段算法的控制模态示意图。

图中标号：V_in——初级直流输入电源,V_pi——初级高频逆变电路输出电压(谐振支路输入电压)，i_pi——流经初级谐振电感L_pi的电流(谐振支路电流)，i_T——初级导轨电流，S₁、S₂、S₃、S₄——初级高频逆变电路绝缘栅双极晶体管，L_pi——初级谐振电感，C_T——初级谐振补偿电容，L_T——初级感应耦合线圈电感，L_si——次级感应耦合线圈电感，C_s——次级谐振补偿电容，L_f——滤波电感，C_f——滤波电容，i_si——流过次级感应耦合线圈的电流，M——初、次级电磁耦合互感系数，i_T,ref——初级导轨电流有效值期望值，I_T——初级导轨电流实际有效值，α——移相角，ω——谐振频率，θ₁——初级谐振支路电压初相位，θ₂——初级谐振支路电流初相位，U_d——鉴相器输出电压，U_c——低通滤波器输出电压，e——导轨电流有效值误差。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，其为LCL型IPT系统的原理图，该系统包括初级和次级两部分，初级和次级被气隙分离开，初级和次级部分通过高频磁场进行耦合以完成能量的传输。

初级部分由直流电压源U_dc(1)、高频逆变电路(15)和初级谐振电路(16)组成。

高频逆变电路(15)由四个全控型开关管及其反并联二极管一(2)、反并联二极管二(3)、反并联二极管三(4)和反并联二极管四(5)组成，该高频逆变环节将直流输入电压转换成高频方波电压输出到初级谐振网络。

初级谐振电路(16)包括初级谐振电感L_pi(6)、初级谐振补偿电容C_T(7)、初级感应耦合线圈电感L_T(8)，不仅在初级线圈L_T周围产生高频正弦谐振波，而且具有带通滤波功能，可以有效滤除系统能量变换环节中引入的高次谐波，减小系统的EMI干扰。

次级部分包括补偿电容C_s(10)和次级线圈电感L_si(9)、不可控整流桥(11)、滤波电感L_f(12)、滤波电容C_f(13)及负载R_L(14),通过初、次级线圈之间的耦合，次级线圈电感L_si(9)上产生感应电动势，并通过补偿电容C_s(10)和次级线圈电感L_si(9)并联构成的次级谐振网路拾取发射端传输的高频振荡能量。不可控整流桥(11)用于高频交流信号的整流，其输出信号经过滤波电感L_f(12)、滤波电容C_f(13)组成的滤波环节滤波，可遏制高频交流电，同时减少输出电压纹波。

图2所示为本发明的控制原理框图，本发明的初级部分设有两个闭环回路，分别为变频控制回路和移相控制回路。变频控制回路采用频率跟踪方法控制高频逆变电路门控信号的频率。移相控制回路基于智能分段控制算法控制高频逆变电路门控信号移相角。

变频控制回路如图2所示，由高频逆变电路(15)、驱动器(17)、变频控制电路(18)、移相变频调制器(20)组成，实现系统谐振频率跟踪。

变频控制电路如图3所示，由限幅器一(21)、频率跟踪控制算法模块(22)、滤波器(23)、鉴相器(24)、采样模块(25)组成。

移相控制回路如图2所示，由高频逆变电路(15)、初级谐振电路(16)、驱动器(17)、移相控制电路(19)、移相变频调制器(20)组成。

移相控制电路如图4所示，由限幅器二(26)、智能分段算法模块(27)、加法器(28)、信号处理模块(29)、电流检测模块(30)组成。

如图2所示，本发明的综合控制实现过程如下：

一方面，变频控制电路(18)根据采样得到的电压V_pi和电流i_pi的相位差改变输出频率ω，ω作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)。另一方面，移相控制电路(19)通过比较测得的系统初级导轨电流与导轨电流期望值，控制初级高频逆变电路门控信号相位角α，α作为输入信号之一输入根据输入移相变频调制器(20)。

如图5所示，移相变频调制器根据输入频率ω和移相角α综合调制，产生两个正弦信号sinωt和sin(ωt+α)，正弦信号输入驱动器(17)产生相应的门控信号控制高频逆变电路(15)。

如图3所示，变频控制回路的实现步骤如下：

1)、采样模块(25)提取谐振支路电压V_pi、电流i_pi，作为输入信号输入给鉴相器(24)。

2)、鉴相器(24)比较输入电压V_pi、电流i_pi的相位，并输出与相位差有确定正弦关系的电压信号U_d。设输入初级谐振支路电压为：V_pi＝Vsin(ωt+θ₁)，输入的初级谐振支路电流为：i_pi＝Icos(ωt+θ₂)，则经过相位比较器后得到相关的电压信号为： $U_d=\frac{1}{2}\mathrm{KVI}\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)+\frac{1}{2}\mathrm{KVI}\sin ({\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2).$ U_d输入低通滤波器(23)。

3)、低通滤波器(23)将输入电压信号U_d中的和频分量滤掉，得到差频分量为：U_c作为输入信号输入频率跟踪控制算法模块(22)。

4)、频率跟踪控制算法模块(22)设定频率初始值为30kHz,根据输入的电压信号U_c判断初级谐振网络(16)呈容性、感性或纯阻性,当输入电压U_c小于零时，电压V_pi滞后电流i_pi，谐振支路呈现容性，输出频率ω增加0.1kHz；当输入电压U_c大于零时，电压V_pi超前电流i_pi,谐振支路呈现感性，输出频率ω减小0.1kHz；当输入电压U_c等于零时，电压V_pi、电流i_pi同相位,谐振支路呈现纯阻性，保持输出频率ω不变。

4)、频率跟踪控制算法模块(22)输出频率ω通过限幅器一(21)控制实际输出频率在10kHz到50kHz之间,并作为输入信号之一输入移相变频调制器(4)，控制初级高频逆变电路门控信号频率。

如图4所示，移相控制实现的过程如下：

1)、通过电流检测模块(30)检测初级导轨电流i_T；

2)、通过信号处理模块(29)计算谐振电流的有效值

3)、将得到的导轨电流有效值I_T和初级导轨电流有效值期望值i_T,ref在比较器(28)中进行比较得到导轨电流有效值误差e＝i_T,ref-I_T，e作为输入信号输入到智能分段算法模块(27)；

4)、误差e经过智能分段算法的控制得到移相角α，通过限幅器二(26)控制输出移相角α在0到π的范围，α作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，控制初级高频逆变电路门控信号的移相角。

智能分段控制算法控制模态如图6所示，当误差e处于误差相平面第二和第四象限，即或e＜0.1时，控制器处于保持模态，即

$u(e,\stackrel{\·}{e})=u_o$

式中，为控制器输出函数，为误差e的变化率，u_o为控制器前一状态输出。

当0.1＜|e|＜2时，控制器处于次强控制模态。当0.1＜e＜2且时， $u(e,\stackrel{\&CenterDot;}{e})=u_o+0.01;$ 当-2＜e＜-0.1且 $\stackrel{\&CenterDot;}{e}<0$ 时， $u(e,\stackrel{\&CenterDot;}{e})=u_o-0.01.$

当2＜|e|＜50时，控制器处于强控制模态。当2＜e＜50且时， $u(e,\stackrel{\&CenterDot;}{e})=1.5u_o(1+0.02e);$ 当-50＜e＜-2且 $\stackrel{\&CenterDot;}{e}<0$ 时， $u(e,\stackrel{\&CenterDot;}{e})=1.5u_o(1-0.02e).$

这种综合控制方法，一方面利用频率跟踪技术实现LCL型IPT系统谐振频率的跟踪，使系统能够达到能量传输的最大化；另一方面，采用基于智能分段算法的移相控制策略控制初级导轨电流恒定，使系统在负载动态变化时能量稳定传输。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LCL型感应电能传输控制装置，包括初级部分和次级部分，其特征在于：所述初级部分设有两个闭环回路，分别为变频控制回路和移相控制回路，所述变频控制回路采用频率跟踪方法控制高频逆变电路门控信号的频率，所述移相控制回路采用智能分段控制算法的移相控制策略控制高频逆变电路门控信号移相角。

2.根据权利要求1所述的一种LCL型感应电能传输控制装置，其特征在于：所述初级部分由直流电压源U_dc(1)、高频逆变电路(15)和初级谐振电路(16)组成，所述高频逆变电路(15)由四个全控型开关管及其反并联二极管一(2)、反并联二极管二(3)、反并联二极管三(4)和反并联二极管四(5)组成，所述高频逆变环节将直流输入电压转换成高频方波电压输出到初级谐振网络，所述初级谐振电路(16)包括初级谐振电感L_pi(6)、初级谐振补偿电容C_T(7)、初级感应耦合线圈电感L_T(8)。

3.根据权利要求2所述的一种LCL型感应电能传输控制装置，其特征在于：所述变频控制回路由高频逆变电路(15)、驱动器(17)、变频控制电路(18)、移相变频调制器(20)组成，实现系统谐振频率跟踪。

4.根据权利要求3所述的一种LCL型感应电能传输控制装置，其特征在于：所述变频控制电路由限幅器一(21)、频率跟踪控制算法模块(22)、滤波器(23)、鉴相器(24)、采样模块(25)组成，所述智能分段控制算法为当控制误差很大且趋于增大时，加大控制力度，抑制误差的增加，控制器处于强控制模态；当控制误差下降，但控制误差趋于增大时，控制器进入次强控制模态，控制力度减弱；当控制误差与控制误差变化趋势相反，或控制误差很小时，控制器处于保持控制模态，即控制器输出信号不变。

5.根据权利要求4所述的一种LCL型感应电能传输控制装置，其特征在于：所述移相控制回路由高频逆变电路(15)、初级谐振电路(16)、驱动器(17)、移相控制电路(19)、移相变频调制器(20)组成。

6.根据权利要求5所述的一种LCL型感应电能传输控制装置，其特征在于：所述移相控制电路由限幅器二(26)、智能分段算法模块(27)、加法器(28)、信号处理模块(29)、电流检测模块(30)组成。

7.根据权利要求6所述的一种LCL型感应电能传输控制装置，其特征在于：所述次级部分包括补偿电容C_s(10)和次级线圈电感L_si(9)、不可控整流桥(11)、滤波电感L_f(12)、滤波电容C_f(13)及负载R_L(14),通过初、次级线圈之间的耦合，次级线圈电感L_si(9)上产生感应电动势，并通过补偿电容C_s(10)和次级线圈电感L_si(9)并联构成的次级谐振网路拾取发射端传输的高频振荡能量,所述不可控整流桥(11)用于高频交流信号的整流，其输出信号经过滤波电感L_f(12)、滤波电容C_f(13)组成的滤波环节滤波，可遏制高频交流电，同时减少输出电压纹波。

8.一种使用权利要求7所述的一种LCL型感应电能传输控制装置的控制方法，其特征在于：

一方面，所述变频控制电路(18)根据采样得到的电压V_pi和电流i_pi的相位差改变输出频率ω，ω作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，另一方面，移相控制电路(19)通过比较测得的系统初级导轨电流与导轨电流期望值，控制初级高频逆变电路门控信号相位角α，α作为输入信号之一输入根据输入移相变频调制器(20)，移相变频调制器根据输入频率ω和移相角α综合调制，产生两个正弦信号sinωt和sin(ωt+α)，正弦信号输入驱动器(17)产生相应的门控信号控制高频逆变电路(15)。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：所述变频控制回路的实现步骤：

步骤一：采样模块(25)：提取谐振支路电压V_pi、电流i_pi，输入给鉴相器(24)；

步骤二：鉴相器(24)：比较输入电压、电流信号的相位，输出与相位差有确定正弦关系的电压信号。设输入初级谐振支路电压为：V_pi＝Vsin(ωt+θ₁)，输入的初级谐振支路电流为：i_pi＝Icos(ωt+θ₂)，则经过相位比较器(24)后得到相关的电压信号为： $U_d=\frac{1}{2}\mathrm{KVI}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_1+{\mathrm{\&theta;}}_2)+\frac{1}{2}\mathrm{KVI}\sin ({\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2);$

步骤三：低通滤波器(23)：将输入电压信号U_d中的和频分量滤掉，得到差频分量为：U_c作为输入信号输入频率跟踪控制算法模块(22)；

步骤四：频率跟踪控制算法模块(22)：设定频率初始值为30kHz,根据低通滤波器(23)输入的电压信号U_c判断初级谐振支路呈容性、感性或纯阻性，当输入电压信号小于零时，电压V_pi滞后电流i_pi，谐振支路呈现容性，增大输出频率ω；当输入电压信号大于零时，电压V_pi超前电流i_pi，谐振支路呈现感性，减小输出频率ω；当输入电压信号等于零时，电压V_pi、电流i_pi同相位，谐振支路呈现纯阻性，保持输出频率ω不变。

步骤五：限幅器一(21)：限定实际输出频率ω在10kHz和50kHz之间，作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，控制初级高频逆变电路门控信号频率。

10.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于：所述移相控制回路的实现过程如下：

电流检测模块(30)：利用电流互感器原理检测初级导轨电流i_T，将检测到的电流i_T输入信号处理模块(29)；

信号处理模块(29)：根据输入电流信号计算初级导轨电流的有效值所得电流有效值I_T输入比较器(28)；

比较器(28)：比较信号处理模块中计算得到的实际电流有效值与初级导轨电流有效值期望值，e＝i_T,ref-I_T，所得误差输入智能分段控制算法模块(27)；

智能分段控制算法模块(27)：根据输入误差信号控制输出移相角α，α作为输入信号输入限幅器二(26)。

限幅器二(26)：限定实际输出移相角α在0至π的范围，作为输入信号之一输入移相变频调制器(20)，控制初级高频逆变电路门控信号的移相角。