CN104953722A - 一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，包括以下步骤：步骤A、建立无线充电系统的模型；步骤B、测量在无线能量传输线圈对准和偏移情况下的无线充电系统模型参数；步骤C、根据无线充电系统模型求得系统效率的表达式；步骤D、利用系统效率表达式求解在无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率；步骤E、将求得的不同偏移情况下的最优控制频率进行拟合，得到频率控制曲线；步骤F、将频率控制曲线通过编程应用于系统控制器中，对无线充电系统进行控制。

Description

一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电系统的控制方法，特别涉及一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法。

背景技术

无线充电的概念最早是由美国科学家特斯拉提出的。2007年，麻省理工学院的研究者提出了磁耦合谐振无线电能传输的新方法，并“隔空”点亮了一盏2米开外的60W灯泡。随后，无线充电技术受到了越来越多的关注，并应用于嵌入式医疗、手机以及电动汽车充电等领域。

然而在实际应用中，无线能量传输线圈之间经常出现偏移的情况，带来无线充电系统效率严重下降的不良影响。CN 103532254 A“一种应用于WPT系统的工作频率自适应调节装置”检测无线充电系统的电能信号，通过无线传输信号送到DSP系统进行比较分析，使系统工作在最佳频率点。但并未提到使系统工作在最佳频率点的控制方法。CN 103219807 A“一种自适应无线电能传输装置”，利用微控制器跳频技术，根据环境中的电磁频率自动调整发射频率和谐振频率。但其同样未给出确定最佳工作频率的具体方法。因此，需要一种在无线充电系统偏移的情况下，计算确定最优控制频率的具体方法，以提高系统的偏移容忍度。

发明内容

本发明的目的是克服当前无线充电系统在偏移情况下出现效率严重下降的问题，提出一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法。本发明可为无线充电系统控制算法的设计提供依据，进而提高无线充电系统的稳定性，并降低系统的控制复杂度、提高控制速度。

应用本发明控制方法的无线充电系统包括系统电源、逆变器、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路、整流器、系统负载、以及系统控制器。系统电源为整个无线充电系统提供电能，逆变器的输入端与系统电源相连，将电源提供的电能转化为高频交流电；逆变器的输出端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路相连，通过无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路使得逆变器转化的高频交流电以空间电磁场的方式实现无线传输；整流器的输入端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路相连，将接收到的高频交流电转化为直流电，最终为与整流器输出端连接的系统负载供电；上述部件之间通过电缆连接。系统控制器通过改变逆变器中电力电子器件的开关频率对整个无线充电系统进行控制，系统控制器与逆变器之间通过电线连接。

本发明提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法包含以下步骤：

步骤A、建立包含系统电源、逆变器、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路、整流器和系统负载的无线充电系统模型；

步骤B、测量在无线能量传输线圈对准和偏移情况下的无线充电系统模型参数；

步骤C、根据无线充电系统模型求得系统效率的表达式；

步骤D、利用系统效率表达式求解在无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率；

步骤E、将求得的不同偏移情况下的最优控制频率进行拟合，得到频率控制曲线；

步骤F、将频率控制曲线通过编程应用于系统控制器中，对无线充电系统进行控制。

本发明的控制方法是通过计算求得无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率，使无线充电系统在偏移情况下保持较高的效率，以提高无线充电系统偏移容忍度。

所述步骤A的建立无线充电系统模型过程中，将所述的系统电源和逆变器综合考虑作为无线充电系统模型的源U_S；并将所述的整流器和系统负载综合考虑作为无线充电系统模型的负载Z_L。

所述步骤A的建立无线充电系统模型过程中，根据不同线圈结构和阻抗匹配电路结构，考虑无线能量传输线圈的自电感、互电感、杂散电阻，以及阻抗匹配电路中的电感、电容和杂散电阻的影响。无线充电系统的建模过程中以集总参数表示无线充电系统的各种变量和杂散参数，其中无线能量传输线圈的自电感与线圈的杂散电阻串联，而线圈之间的感性耦合作用则等效表示为与线圈之间的互电感；在阻抗匹配电路中，电感的杂散电阻与电感串联，电容的杂散电阻与电容串联，而电感和电容之间的连接方式则取决于阻抗匹配电路的拓扑结构。由此，无线充电系统的建模过程全面考虑了无线充电系统中的各种变量和杂散参数，使得建立的模型能够很好地表示实际无线充电系统，具有很高的精度。

所述步骤B中待测量电气参数的测量手段包括：采用示波器对电源电压进行测量，采用阻抗分析仪对负载阻抗、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路的电气参数进行测量。

所述步骤B中在无线能量传输线圈对准的情况下，待测量的电气参数包括：模型的源电压U_S，模型的负载阻抗Z_L，无线能量传输线圈各线圈的自电感值、杂散电阻值以及线圈之间的互电感值，阻抗匹配电路中的电感值、电容值以及杂散电阻值。

所述步骤B中在无线能量传输线圈偏移的情况下，每隔固定的偏移距离选取测量点，待测量的电气参数为：无线能量传输线圈各线圈之间的互电感值。

所述步骤C中，系统效率表达式的求解过程为：根据建立的无线充电系统模型，在每个偏移测量点上，得到系统效率η与控制频率f之间的函数关系η(f)。具体过程如下：首先根据无线充电系统模型列出系统电压、电流之间的函数关系；然后求得系统输入电流和输出电流的表达式，进而得到系统输入有功功率和输出有功功率的表达式；再通过输出有功功率除以输入有功功率求出系统效率的表达式；最后将无线能量传输线圈对准和偏移情况下测量得到的无线充电系统模型参数代入系统效率的表达式，得到在每个偏移测量点上，系统效率η与控制频率f之间的函数关系η(f)。

所述步骤C中，效率表达式的求解过程采用了实际测量得到的无线充电系统模型参数，使所述的无线充电系统模型能够表示不规则线圈形状、线圈间距离的偏差、线圈周围不规则的导体和绝缘体、以及趋肤效应、临近效应等因素带来的影响，进而在复杂实际环境下具有良好的应用效果。

所述步骤D中，最优控制频率的计算过程如下：首先将无线充电系统在无线能量传输线圈对准情况下的效率作为参考效率η_ref；然后通过方程η(f)＝η_ref是否有解来判断在每个偏移测量点上，无线充电系统是否还能够达到参考效率η_ref；如果方程有解，则说明系统能够达到参考效率，此时以方程的解作为该偏移测量点处的最优控制频率；如果方程无解，则说明系统已经不能达到参考效率，此时通过求解系统效率的导数方程dη(f)/df＝0得到无线充电系统达到最大效率时的最优控制频率。

所述步骤E中，根据方程η(f)＝η_ref是否有解的两种情况，将每个偏移测量点上的最优控制频率拟合为整个偏移范围内无线充电系统最优控制频率f_opt与偏移距离d之间的函数关系f_opt(d)，并将该函数关系作为频率控制曲线。

所述步骤E中的拟合过程可采用最小二乘法、多项式拟合法、拉格朗日插值法、牛顿插值法、区间二分法、雅克比迭代法等方法。

所述步骤F中，将最优控制频率与偏移距离的函数关系f_opt(d)描述的频率控制曲线，以编程的方式写入系统控制器中运行，实现提高无线充电系统偏移容忍度的控制目的。

所述步骤F中只有最终的计算结果，即频率控制曲线在控制器中运行，而频率曲线的具体计算过程不会体现在控制程序的编制中，这就大大简化了控制的复杂度，提高了控制速度。

本发明具有以下优点和有益效果：

1、控制方法建立在高精度无线充电系统模型的基础上，准确性高；

2、采用实际测量的模型参数，在复杂实际环境下具有良好的应用效果；

3、简化了控制复杂度，提高了控制速度。

附图说明

图1为本发明提高无线充电系统偏移容忍度控制方法的流程图；

图2为应用本发明的无线充电系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中建立的四线圈结构无线充电系统模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

应用本发明控制方法的无线充电系统的结构如图2所示。所述的无线充电系统包括系统电源201、逆变器202、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路203、整流器204、系统负载205、以及系统控制器206。系统电源201为整个无线充电系统提供电能，逆变器202的输入端与系统电源201相连，将电源提供的电能转化为高频交流电；逆变器202的输出端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路203相连，通过无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路203使得逆变器202转化的高频交流电以空间电磁场的方式实现无线传输；整流器204的输入端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路203相连，将接收到的高频交流电转化为直流电，最终为与整流器204输出端连接的系统负载205供电；上述部件之间通过电缆连接。系统控制器206通过改变逆变器202中电力电子器件的开关频率对整个无线充电系统进行控制，系统控制器206与逆变器202之间通过电线连接。

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

本实施例中，采用本发明控制方法提高一种四线圈结构、采用串联电容进行阻抗匹配的无线充电系统的偏移容忍度，具体步骤如下：

步骤A、建立包含系统电源、逆变器、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路、整流器和系统负载的无线充电系统模型。

将系统电源和逆变器综合考虑作为无线充电系统模型的源U_S；并将整流器和系统负载综合考虑作为无线充电系统模型的负载Z_L。无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路的建模过程中考虑四个线圈的自电感L₁、L₂、L₃、L₄，互电感M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₂₃、M₂₄、M₃₄，杂散电阻R₁、R₂、R₃、R₄，以及四个线圈的串联匹配电容C₁、C₂、C₃、C₄，进而得到四线圈结构、采用串联电容进行阻抗匹配的无线充电系统的模型，如图3所示。其中，模型的源U_S、第一线圈的自电感L₁、第一线圈的串联匹配电容C₁和第一线圈回路中的杂散电阻R₁串联构成第一线圈回路；第二线圈的自电感L₂、第二线圈的串联匹配电容C₂和第二线圈回路中的杂散电阻R₂串联构成第二线圈回路；第三线圈的自电感L₃、第三线圈的串联匹配电容C₃和第三线圈回路中的杂散电阻R₃串联构成第三线圈回路；模型的负载Z_L、第四线圈自电感L₄、第四线圈的串联匹配电容C₄和第四线圈回路中的杂散电阻R₄串联构成第四线圈回路；互电感M₁₂、M₁₃、M₁₄、M₂₃、M₂₄、M₃₄用以表示线圈之间的感性耦合作用。

步骤B、测量在无线能量传输线圈对准和偏移情况下的无线充电系统模型参数。

在无线能量传输线圈对准的情况下，采用示波器测量源电压U_S的值；采用阻抗分析仪测量负载阻抗Z_L的值，第一线圈的自电感L₁、第二线圈的自电感L₂、第三线圈的自电感L₃、以及第四线圈自电感L₄的值；接着测量在无线能量传输线圈对准时第一线圈与第二线圈之间的互电感值M_{12_0}、第一线圈与第三线圈之间的互电感值M_{13_0}、第一线圈与第四线圈之间的互电感值M_{14_0}、第二线圈与第三线圈之间的互电感值M_{23_0}、第二线圈与第四线圈之间的互电感值M_{24_0}、第三线圈与第四线圈之间的互电感值M_{34_0}；其中，互电感下标中的“_{_0}”代表在线圈对准时的测量结果，0代表线圈之间的偏移距离为零；再测量第一线圈回路中的杂散电阻R₁、第二线圈回路中的杂散电阻R₂、第三线圈回路中的杂散电阻R₃、以及第四线圈回路中的杂散电阻R₄的值；最后测量第一线圈的串联匹配电容C₁、第二线圈的串联匹配电容C₂、第三线圈的串联匹配电容C₃、以及第四线圈的串联匹配电容C₄的值；

在无线能量传输线圈偏移的情况下，每隔2.5cm的偏移距离选取一个测量点，采用阻抗分析仪测量第一线圈与第二线圈之间的互电感值M_{12_p}、第一线圈与第三线圈之间的互电感值M_{13_p}、第一线圈与第四线圈之间的互电感值M_{14_p}、第二线圈与第三线圈之间的互电感值M_{23_p}、第二线圈与第四线圈之间的互电感值M_{24_p}、第三线圈与第四线圈之间的互电感值M_{34_p}。其中互电感下标中的“_{_p}”代表在线圈偏移时的测量结果，p为线圈之间的偏移距离。

步骤C、根据无线充电系统模型求得系统效率的表达式；

首先根据图3所示的无线充电系统模型，列出无线充电系统在无线能量传输线圈对准或每一个偏移测量点下，电压、电流之间的函数关系，如公式(1)所示：

$\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{11}+1/j2\mathrm{\πf}{C}_1& Z_{12}& Z_{13}& Z_{14}\\ Z_{12}& Z_{22}& Z_{23}& Z_{24}\\ Z_{13}& Z_{23}& Z_{33}& Z_{34}\\ Z_{14}& Z_{24}& Z_{34}& Z_{44}+Z_L+1/j2\mathrm{\πf}{C}_4\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_S\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]---\left(1\right)$

Z₁₁＝R₁+j2πfL₁；Z₂₂＝R₂+j(2πfL₂-1/2πfC₂),

Z₄₄＝R₄+j2πfL₄；Z₃₃＝R₃+j(2πfL₃-1/2πfC₃),

Z_mn＝j2πfM_{mn_p}；m,n＝1,2,3,4and m≠n.

其中，f为系统工作频率，U_S为模型的源电压，Z_L为模型的负载阻抗；I₁、I₂、I₃、I₄分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈中的电流，L₁、L₂、L₃、L₄分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈的自电感，R₁、R₂、R₃、R₄分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈回路中的杂散电阻，C₁、C₂、C₃、C₄分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈的串联匹配电容；M_{mn_p}为无线能量传输线圈对准或每一个偏移测量点下，第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈两两之间的互电感值；Z₁₁、Z₂₂、Z₃₃、Z₄₄分别为第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈回路的自阻抗；Z_mn为无线能量传输线圈对准或每一个偏移测量点下，第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈两两之间的互阻抗值；

然后求得系统输入电流I₁和输出电流I₄的表达式，进而得到系统输入有功功率P_in和输出有功功率P_out的表达式；再通过输出有功功率P_out除以输入有功功率P_in求出系统效率η的表达式；最后将无线能量传输线圈对准和偏移情况下测量得到的无线充电系统模型参数代入系统效率的表达式，得到在每个偏移测量点上，系统效率与控制频率之间的函数关系η(f)。

步骤D、利用系统效率表达式求解在无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率；

首先将无线充电系统在无线能量传输线圈对准情况下的效率作为参考效率η_ref；然后通过方程η(f)＝η_ref是否有解来判断在每个偏移测量点上，无线充电系统是否还能够达到参考效率η_ref；如果方程有解，则说明系统还能够达到参考效率，此时以方程的解作为该偏移测量点处的最优控制频率；如果方程无解，则说明系统已经不能达到参考效率，此时通过求解系统效率的导数方程dη(f)/df＝0得到无线充电系统达到最大效率时的最优控制频率。

步骤E、将求得的不同偏移情况下的最优控制频率进行拟合，得到频率控制曲线；

根据方程η(f)＝η_ref是否有解的两种情况，将每个偏移测量点上的最优控制频率拟合为整个偏移范围内无线充电系统最优控制频率f_opt与偏移距离d之间的函数关系f_opt(d)。在本实施例中，当偏移距离在12.5cm以内时，方程η(f)＝η_ref有解；而当偏移距离大于12.5cm时，方程η(f)＝η_ref无解。由此求得每个偏移测量点上的最优控制频率，并通过多项式拟合的方法进行拟合，得到无线充电系统最优控制频率f_opt与偏移距离d之间的函数关系如公式(2)所示。最后，将公式(2)所示的函数关系作为频率控制曲线：

$f_{\mathrm{opt}}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{cc}-0.486d^4+12.3d^3-66.46d^2+206.2d+{10}^5& 0\≤d\≤12.5\mathrm{cm}\\ -0.0335d^4+2.66d^3-78.8d^2+1057d+9.9\×{10}^4& d\≥12.5\mathrm{cm}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，f_opt为无线充电系统的最优控制频率，d为无线能量传输线圈之间的偏移距离。

步骤F、将公式(2)描述的频率控制曲线以编程的方式写入系统控制器中运行，对无线充电系统进行控制，提升无线充电系统在偏移情况下的效率，实现提高无线充电系统偏移容忍度的控制目的。

Claims (9)

1.一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，应用所述提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法的无线充电系统包括系统电源(201)、逆变器(202)、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路(203)、整流器(204)、系统负载(205)、以及系统控制器(206)；所述逆变器(202)的输入端与系统电源(201)相连，逆变器(202)的输出端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路(203)相连，整流器(204)的输入端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路(203)相连，整流器(204)的输出端连接系统负载(205)；系统控制器(206)与逆变器(202)连接，通过改变逆变器(202)中电力电子器件的开关频率对所述的无线充电系统进行控制；

其特征在于所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法包含以下步骤：

步骤A、建立包含系统电源(201)、逆变器(202)、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路(203)、整流器(204)和系统负载(205)的无线充电系统模型；

步骤B、测量在无线能量传输线圈对准和偏移情况下的无线充电系统模型参数；

步骤C、根据无线充电系统模型求得系统效率的表达式；

步骤D、利用系统效率表达式求解在无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率；

步骤E、将求得的不同偏移情况下的最优控制频率进行拟合，得到频率控制曲线；

步骤F、将频率控制曲线通过编程应用于系统控制器(206)中，对无线充电系统进行控制。

2.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述的控制方法是通过计算求得无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率，使无线充电系统在偏移情况下保持较高的效率，以提高偏移容忍度。

3.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤A的建立无线充电系统模型过程中，将所述的系统电源(201)和逆变器(202)综合考虑作为无线充电系统模型的源U_S；并将所述的整流器(204)和系统负载(205)综合考虑作为无线充电系统模型的负载Z_L。

4.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤A建立无线充电系统模型过程中，根据不同线圈结构和阻抗匹配电路结构，以集总参数的方式描述无线能量传输线圈的自电感、互电感、杂散电阻，以及阻抗匹配电路中的电感、电容和杂散电阻。

5.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤B中，在无线能量传输线圈偏移的情况下，每隔固定的偏移距离选取测量点，测量无线能量传输线圈之间的互电感值。

6.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤C中，系统效率表达式的求解过程为：根据建立的无线充电系统模型，在每个偏移测量点上，得到系统效率η与控制频率f之间的函数关系η(f)。具体过程如下：首先根据无线充电系统模型列出系统电压、电流之间的函数关系；然后求得系统输入电流和输出电流的表达式，进而得到系统输入有功功率和输出有功功率的表达式；再通过输出有功功率除以输入有功功率求出系统效率的表达式；最后将无线能量传输线圈对准和偏移情况下测量得到的无线充电系统模型参数代入系统效率的表达式，得到在每个偏移测量点上，系统效率η与控制频率f之间的函数关系η(f)。

7.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤D中的最优控制频率的计算过程如下：首先将无线充电系统在无线能量传输线圈对准情况下的效率作为参考效率η_ref；然后通过方程η(f)＝η_ref是否有解来判断在每个偏移测量点上，无线充电系统是否还能够达到参考效率η_ref；如果方程有解，则以方程的解作为该偏移测量点处的最优控制频率；如果方程无解，则通过求解系统效率的导数方程dη(f)/df＝0得到最优控制频率。

8.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤E中，根据方程η(f)＝η_ref是否有解的两种情况，将每个偏移测量点上的最优控制频率拟合为整个偏移范围内无线充电系统最优控制频率f_opt与偏移距离d之间的函数关系f_opt(d)，并将该函数关系作为频率控制曲线。

9.按照权利要求1所述的提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法，其特征在于所述步骤F中，将最优控制频率与偏移距离的函数关系f_opt(d)描述的频率控制曲线以编程的方式写入系统控制器(206)中运行，实现提高无线充电系统偏移容忍度的控制目的。