CN105186717B - 一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，包括无线充电发射装置和无线充电接收装置；无线充电发射装置包括第一整流滤波电路、高频逆变电路、升压电路、发射线圈、模糊PID控制单元和蓝牙通信模块，第一整流滤波电路、高频逆变电路、升压电路和发射线圈顺次连接，高频逆变电路的输入输出端和蓝牙通信模块的输入输出端接于模糊PID控制单元的输入输出端；无线充电接收装置包括接收线圈、第二整流滤波电路、DC‑DC电路、检测电路、铅酸电池、模糊神经网络预测单元和蓝牙通信单元，接收线圈、第二整流滤波电路、DC‑DC电路、铅酸电池、检测电路和模糊神经网络预测单元顺次连接，模糊神经网络预测单元与蓝牙通信单元双向通信。
Description
技术领域
本发明属于无线充电领域，具体涉及一种基于铅酸电池的智能的高效率无线充电系统。
背景技术
20世纪60年代中期，美国科学家提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受的充电电流曲线，如果在整个充电过程中能够使实际的充电电流始终等于或者接近于蓄电池可接受的充电电流，不仅提高充电效率而且可以很好的保护电池。马斯同时指出：通过瞬时大电流放电，可以使铅酸电池的可接受充电电流曲线不断右移，从而大大提高充电速度和效率。然而目前对于铅酸电池的无线充电一般采用传统的三段式恒流——恒压——涓流的方式或者更简单的采用恒流——恒压限流的方式，其电流不能根据蓄电池的充电状态动态地选择可接受电流，从而导致充电效率不高，充电时间长。此外，由于无法智能控制充电过程，经常会出现充电不足或过度充电，过度充电会导致大量气体析出而腐蚀电池极板，长时间充电不足也会减少电池寿命。铅酸电池在充电过程中具有强非线性、时变性以及不确定性等特点，采用常规的PID控制方式不能满足铅酸电池充电系统的需求。加之无线充电相对于有线充电，增加了充电线圈和接收线圈的感应耦合过程，这个过程也是非线性的和不确定性的。这些问题都导致铅酸电池的无线充电速度慢且电池寿命短等问题。
发明内容
因此，针对上述的问题，本发明提出一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，该系统可实现智能控制充电过程，避免出现充电不足导致电池寿命短或过度充电导致大量气体析出而腐蚀电池极板，减少电池寿命等。且采用本发明的技术方案，可以保证铅酸电池在充电过程中，其充电电流动态地逼近蓄电池可接受的充电电流曲线，使整个充电过程始终在最佳状态下进行，有效提高充电效率、节省充电时间，解决了铅酸电池的无线充电速度慢、效率低等问题.
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，包括无线充电发射装置和无线充电接收装置。所述无线充电发射装置包括第一整流滤波电路、高频逆变电路、升压电路、发射线圈、模糊PID控制单元和蓝牙通信模块，第一整流滤波电路的输出端接于高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端接于升压电路的输入端，升压电路的输出端接于发射线圈的输入端，高频逆变电路的输入输出端和蓝牙通信模块的输入输出端接于模糊PID控制单元的输入输出端；所述无线充电接收装置包括接收线圈、第二整流滤波电路、DC-DC电路、检测电路、铅酸电池、模糊神经网络预测单元和蓝牙通信单元，接收线圈、第二整流滤波电路、DC-DC电路、铅酸电池、检测电路和模糊神经网络预测单元顺次连接，模糊神经网络预测单元与蓝牙通信单元双向通信。
上述无线充电系统的充电过程如下：检测电路检测铅酸电池的荷电状态、端电压和电池电解液的温度等信号，并将上述信号发送至模糊神经网络预测单元，模糊神经网络预测单元根据接收的信号绘制并且实时修正铅酸电池的可接受电流曲线，并预测充电电流给定值；模糊神经网络预测单元将预测的充电电流给定值和实际值经蓝牙通信单元和蓝牙通信模块反馈给模糊PID控制单元；模糊PID控制单元通过模糊化、逻辑推理、去模糊化三个过程控制电路的PWM波的输出，通过改变PWM波的频率和占空比调节发射线圈的电流，进而调节铅酸电池的充电电压和充电电流，从而实现对无线充电发射装置和无线充电接收装置的电磁感应过程进行模糊化处理。
其中，模糊PID控制单元是采用一种结合模糊控制与PID控制的新型算法，通过模糊化、逻辑推理、去模糊化三个过程控制PWM波的输出，通过改变PWM波的频率和占空比调节发射线圈的电流，进而调节铅酸电池的充电电压和充电电流。蓝牙通信模块接收蓝牙通信单元发送过来的信号，并将信号反馈给模糊PID控制单元。具体的，模糊PID控制单元将整个充电过程中分为电流控制和电压控制两个充电阶段，充电阶段是无线充电发射装置根据无线充电接收装置发送的电池荷电状态的百分比决定的，其具体过程如下：首先预设电池荷电状态的经验值（例如经验值设为电池荷电状态为90%），将电池荷电状态小于该经验值的时候记为电流控制充电阶段，大于等于该经验值的时候记为电压控制充电阶段；在电流控制充电阶段中，采用电流控制充电，模糊PID控制单元通过调节发射线圈的电流进而调节铅酸电池的充电电流；在电压控制充电阶段中，也即当电池荷电状态大于上述经验值的时候，采取电压控制充电，模糊PID控制单元调节发射线圈的电流，进而调节电池端的充电电压。
在电流控制充电阶段中，为了提高充电的效率和充电速度，模糊PID控制单元每间隔一段时间采用负脉冲放电，消除极化电压，使可接受充电电流曲线右移，达到提高充电效率和充电速度的效果。对于负脉冲放电的放电周期和宽度，采用的算法如下：根据给定的可充电电流值，当可充电电流值下降到初始值的90%的时候采用负脉冲充电过程，过程如下：首先停止充电t1时间（例如50ms），此过程有利于消除欧姆极化和少量浓差极化，接着进行负脉冲充电t2时间（负脉冲持续时间t2为500ms，幅值为3倍的可充电电流），该过程能够消除浓差极化，最后停止充电t3时间，（t3可以设为50ms）。通过负脉冲放电过程可以有效消除极化现象，提高电池接受能力，极大地提高了充电效率和充电速度。
模糊神经网络预测单元绘制并且实时修正铅酸电池的最佳可接受电流曲线，提供各个阶段下的充电电流给定值。其工作原理为利用检测电路电池端电压和电解液温度动态地修正电池的充电电流给定值。利用神经网路的非线性结构，通过大量的实验得出铅酸电池的可充电电流曲线的离散样本值，采用离线训练获取相应的铅酸电池的可接受电流曲线。通过训练，在不需要知道输入输出的精确数学模型的情况下，当给定一个输入就可以得到相应的输出；考虑到不同规格不同厂家等因素造成的铅酸电池的分散性和复杂性，当给定的输入不是原来的输入时，利用神经网络的学习和非线性逼近能力，采用插值算法，使其给出合适的输出。采用模糊神经网络的自学习功能，根据实际蓄电池的实际参数以及充电过程的实际情况对可充电电流曲线给出的电流定值进行校正，从而实时动态跟踪可充电电流，获取铅酸电流蓄电池的最佳可接受电流曲线，提供各个阶段下的充电电流给定值。
蓝牙通信单元将检测电路采集的荷电状态、端电压和电池电解液的温度等信号和采用模糊神经网络预测单元预测的给定值信号发送至发射端的蓝牙通信模块。为了满足系统传输数据速度快、灵活、实时性要求，本发明所述蓝牙通信模块是采用BLE4.0蓝牙通信技术，以往的无线充电方案采用载波通信的方法进行PTU和PRU的通信，此类采用半双工通信，灵活性和传输速率都有限制。本发明所述的系统采用低功耗蓝牙BLE4.0，此类采用全双工通信进行无线充电发射装置与无线充电接收装置的通信，双方都可以进行数据收发，灵活性更好，且传输速率高、功耗低。该通信具有高速、灵活的优点，确保充电过程中系统调节的实时性要求。
本发明采用上述方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明利用模糊神经网络预测单元、蓝牙通信模块及模糊PID控制单元相结合的技术，实现对铅酸电池无线充电过程的智能控制，保证电池端的充电电流可以在各个阶段都可以动态地逼近可接受充电曲线，使整个充电过程始终在最佳状态下进行，提高充电效率，减少充电时间，避免发生欠充或过充时导致大量气体析出而腐蚀电池极板现象发生，增加电池寿命；
2、本发明采用BLE4.0蓝牙通信技术，采用全双工通信，通信双方都可以进行数据收发，灵活性更好，且传输速率高、功耗低。该通信具有高速、灵活的优点，确保充电过程中系统调节的实时性要求；
3、本发明采用的模糊PID控制单元是一种结合模糊控制与PID控制的新型算法，该算法通过模糊化、逻辑推理、去模糊化三个过程控制PWM波的输出，利用PWM波调节线圈电流，对发射端和接收端的电磁感应过程进行模糊化处理，实现充电电流、电压的快速、平滑调节，减少调节时间，减小稳态误差，提高了系统的抗干扰能力。
附图说明
图1为本发明的高效率无线充电系统的原理框图；
图2为本发明的高效率无线充电系统的充电电流曲线图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，该系统由无线充电发射装置和无线充电接收装置组成。
无线充电发射装置包括整流滤波电路A、高频逆变电路、升压电路、发射线圈、模糊PID控制单元、蓝牙通信模块；整流滤波电路A的输出端接于高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端接于升压电路的输入端，升压电路的输出端接于发射线圈的输入端，高频逆变电路的输入输出端和蓝牙通信模块的输入输出端接于模糊PID控制单元的输入输出端。
无线充电接收装置包括接收线圈、整流滤波电路B、DC-DC电路、检测电路、铅酸电池、模糊神经网络预测单元、蓝牙通信单元。接收线圈、整流滤波电路B、DC-DC电路、铅酸电池、检测电路和模糊神经网络预测单元顺次连接，模糊神经网络预测单元的输入输出端与蓝牙通信单元双向通信。无线充电发射装置和无线充电接收装置通过蓝牙通信模块和蓝牙通信单元实现双向通信。
无线充电发射装置中，模糊PID控制单元是采用一种结合模糊控制与PID控制的新型算法，通过模糊化、逻辑推理、去模糊化三个过程控制PWM波的输出，通过改变PWM波的频率和占空比调节发射线圈的电流，进而调节电池的充电电压和充电电流；蓝牙通信模块是用于接收蓝牙通信单元发送过来的信号，并将信号反馈给模糊PID控制单元。结合模糊控制与PID控制的新型算法的具体内容，本领域的技术人员可参阅相关资料获得。
无线充电接收装置中，检测电路是用于采集充电电池荷电状态、端电压和电池电解液的温度等信号；蓝牙通信单元用于将检测电路采集的荷电状态、端电压和电池电解液的温度等信号和采用模糊神经网络预测单元预测的给定值信号发送至发射端的蓝牙通信模块。模糊神经网络预测单元能够绘制并且实时修正铅酸电池的最佳可接受电流曲线，提供各个阶段下的充电电流给定值，其工作原理为神经网络利用检测电路电池端电压和电解液温度动态地修正电池的充电电流给定值。利用神经网路的非线性结构，通过大量的实验得出铅酸电池的可充电电流曲线的离散样本值，采用离线训练获取相应的铅酸电池的可接受电流曲线。通过训练，在不需要知道输入输出的精确数学模型的情况下，当给定一个输入就可以得到相应的输出；考虑到不同规格不同厂家等因素造成的铅酸电池的分散性和复杂性，当给定的输入不是原来的输入时，利用神经网络的学习和非线性逼近能力，采用插值算法，使其给出合适的输出。采用模糊神经网络的自学习功能，根据实际蓄电池的实际参数以及充电过程的实际情况对可充电电流曲线给出的电流定值进行校正，从而实时动态跟踪可充电电流，获取铅酸电流蓄电池的最佳可接受电流曲线，提供各个阶段下的充电电流给定值；
为了满足系统传输数据速度快、灵活、实时性要求，本发明的蓝牙通信模块是采用BLE4.0蓝牙通信技术，以往的无线充电方案采用载波通信的方法进行PTU和PRU的通信，此类采用半双工通信，灵活性和传输速率都有限制。本发明所述的系统采用低功耗蓝牙BLE4.0，此类采用全双工通信进行无线充电发射装置与无线充电接收装置的通信，双方都可以进行数据收发，灵活性更好，且传输速率高、功耗低。该通信具有高速、灵活的优点，确保充电过程中系统调节的实时性要求。
为了实现智能控制充电过程，提高充电效率，加快充电时间，作为一个优选方案，本发明的充电系统的充电过程如下：首先，检测电路检测铅酸电池荷电状态、端电压和电池电解液的温度等信号，并将上述信号通过模糊神经网络预测单元预测充电电流给定值；接着，将预测的给定值和实际值经蓝牙通信单元反馈给模糊PID控制单元；最后，模糊PID控制单元通过模糊化、逻辑推理、去模糊化三个过程控制PWM波的输出，进而调整发射线圈电流，对发射装置和接收装置的电磁感应过程进行模糊化处理。其中，充电电流的实际值是指在充电过程中，测量到的铅酸电池充电电流的实际值。本领域技术人员可采用电流表或者其他常规方法来实际测量得到。
采用本发明的充电方法，在整个充电过程中分为电流控制和电压控制两个充电阶段，无线充电发射装置根据无线充电接收装置发送的电池荷电状态的百分比决定充电阶段，根据经验值，电池荷电状态小于90%时候采用电流控制充电，这一阶段采用模糊PID控制单元调节发射线圈电流进而调节铅酸电池的充电电流。当电池荷电状态大于90%的时候采取电压控制充电，通过模糊PID控制单元调节发射线圈电流，进而调节电池端的充电电压。在电流控制充电阶段，为了提高充电的效率和充电速度，每间隔一段时间采用负脉冲放电，消除极化电压，使可接受充电电流曲线右移，达到提高充电效率和充电速度的效果。对于负脉冲放电的放电周期和宽度，采用的算法如下：根据给定的可充电电流值，当可充电电流值下降到初始值的90%的时候采用负脉冲充电过程，过程如下：首先停止充电t1（50ms），此过程有利于消除欧姆极化和少量浓差极化，接着负脉冲充电（负脉冲持续时间t2为500ms，幅值为3倍的可充电电流），该过程能够消除浓差极化，最后停止充电，时间t3为50ms。通过负脉冲放电过程可以有效消除极化现象，提高电池接受能力，极大地提高了充电效率和充电速度。
如图2所示，经过测试证明，曲线a表示为采用本系统实现的智能无线充电系统充电曲线，可实现充电效率85%以上，可在1.2个小时以内完成对铅酸电池的充电，实现了高速、高效率的无线充电，而相于曲线b所示，采用传统的三段式充电电流充电，充电时间长，效率低。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，包括无线充电发射装置和无线充电接收装置；
所述无线充电发射装置包括第一整流滤波电路、高频逆变电路、升压电路、发射线圈、模糊PID控制单元和蓝牙通信模块，第一整流滤波电路的输出端接于高频逆变电路的输入端，高频逆变电路的输出端接于升压电路的输入端，升压电路的输出端接于发射线圈的输入端，高频逆变电路的输入输出端和蓝牙通信模块的输入输出端接于模糊PID控制单元的输入输出端；
所述无线充电接收装置包括接收线圈、第二整流滤波电路、DC-DC电路、检测电路、铅酸电池、模糊神经网络预测单元和蓝牙通信单元，接收线圈、第二整流滤波电路、DC-DC电路、铅酸电池、检测电路和模糊神经网络预测单元顺次连接，模糊神经网络预测单元与蓝牙通信单元双向通信；
检测电路至少检测铅酸电池的荷电状态、端电压和电池电解液的温度信号，并将上述信号发送至模糊神经网络预测单元，模糊神经网络预测单元根据接收的信号绘制并且实时修正铅酸电池的可接受电流曲线，并预测充电电流给定值，其中模糊神经网络预测单元工作原理为神经网络利用检测电路电池端电压和电解液温度动态地修正电池的充电电流给定值，利用神经网络的非线性结构，得出铅酸电池的可充电电流曲线的离散样本值，采用离线训练获取相应的铅酸电池的可接受电流曲线，通过训练，在不需要知道输入输出的精确数学模型的情况下，当给定一个输入得到相应的输出；模糊神经网络预测单元将预测的充电电流给定值和实际值经蓝牙通信单元和蓝牙通信模块反馈给模糊PID控制单元；模糊PID控制单元控制电路的PWM波的输出，通过改变PWM波的频率和占空比调节发射线圈的电流，进而调节铅酸电池的充电电压和充电电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，其特征在于：所述模糊PID控制单元通过模糊化、逻辑推理、去模糊化三个过程控制PWM波的输出，通过改变PWM波的频率和占空比调节发射线圈的电流，进而调节铅酸电池的充电电压和充电电流；具体的，模糊PID控制单元将整个充电过程中分为电流控制和电压控制两个充电阶段，充电阶段是无线充电发射装置根据无线充电接收装置发送的电池荷电状态的百分比决定的，其具体过程如下：
首先预设电池荷电状态的经验值，将电池荷电状态小于该经验值的时候记为电流控制充电阶段，大于等于该经验值的时候记为电压控制充电阶段；
在电流控制充电阶段中，采用电流控制充电，模糊PID控制单元通过调节发射线圈的电流进而调节铅酸电池的充电电流；
在电压控制充电阶段中，采用电压控制充电，模糊PID控制单元调节发射线圈的电流，进而调节电池端的充电电压。
3.根据权利要求2所述的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，其特征在于：在电流控制充电阶段中，为了提高充电的效率和充电速度，模糊PID控制单元每间隔一段时间采用负脉冲放电，消除极化电压，使可接受电流曲线右移。
4.根据权利要求3所述的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，其特征在于：模糊PID控制单元每间隔一段时间采用负脉冲放电，其中的负脉冲放电的放电周期和宽度，采用的算法如下：
根据给定的可充电电流值，当可充电电流值下降到经验值的时候采用负脉冲充电过程，过程如下：首先停止充电t1时间，此过程有利于消除欧姆极化和少量浓差极化，接着进行负脉冲充电t2时间，该过程能够消除浓差极化，最后停止充电t3时间。
5.根据权利要求4所述的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，其特征在于：t1＝50ms。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，其特征在于：t2＝500ms。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于铅酸电池的高效率无线充电系统，其特征在于：t3＝50ms。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A high efficiency wireless charging system based on lead-acid battery Effective date of registration: 20220622 Granted publication date: 20171205 Pledgee: Bank of China Limited Xiamen Huli sub branch Pledgor: XIAMEN NEWYEA SCIENCE AND TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980008609 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PP01 | Preservation of patent right |
Effective date of registration: 20240103 Granted publication date: 20171205 |
|
| PP01 | Preservation of patent right |