CN105826997A - 一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法 - Google Patents
一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，基于无线电能传输系统的开环电路，所述无线电能传输系统的开环电路包括直流电源、逆变器、原副边谐振网络及整流器，直流电源、逆变器、原副边谐振网络、整流器及蓄电池依次相连接；包括以下步骤：判断蓄电池的充电阶段，所述蓄电池的充电阶段包括恒流充电阶段、恒功率充电阶段及恒压充电阶段；当蓄电池处于恒流充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制；当蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制；当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制方法进行控制，该方法能够实现蓄电池的全范围高效率充电，并且系统的安全性及稳定性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种闭环控制方法，具体涉及一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法。
背景技术
无线传输是一种安全便捷的电能传输方式，具有使用灵活方便、少维护、可适应恶劣环境、易于实现无人自动供电和移动式供电的优点。磁耦合谐振式无线电能传输技术较好地满足了距离、效率、功率和安全等方面的需求，在电动车、消费电子、传感器和植入设备等领域具有广阔的应用前景。实际使用中，由于原副边传输距离、耦合系数、等效负载阻抗等因素会发生随机变化，往往没有针对蓄电池的充电采取明确有效的控制策略，这样会降低系统的效率和运行的稳定性、安全性。
传统的蓄电池充电方式是先恒流充电后恒压充电，由于恒流和恒压过渡点切换会产生较大的峰值充电功率，对蓄电池和系统的整体性能要求较高，而且存在潜在的安全隐患。因此，需要一种控制策略能够将蓄电池快速高效充电和无线充电装置的潜在的价值结合起来，实现蓄电池的全范围高效率充电。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，该方法能够实现蓄电池的全范围高效率充电，并且能够提高系统的安全性和稳定性。
为达到上述目的，本发明所述的用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法基于无线电能传输系统的开环电路，所述无线电能传输系统的开环电路包括直流电源、逆变器、原副边谐振网络、整流器及蓄电池，直流电源、逆变器、原副边谐振网络、整流器及蓄电池依次相连接；
包括以下步骤：
判断蓄电池的充电阶段，所述蓄电池的充电阶段包括恒流充电阶段、恒功率充电阶段及恒压充电阶段；
当蓄电池处于恒流充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制；
当蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制；
当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制方法进行控制。
当判断蓄电池处于恒流充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制的具体操作为：
逆变器的输出频率与原副边谐振网络的谐振频率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，再将蓄电池的充电电压及电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据预设蓄电池的恒流充电给定值与蓄电池的充电电流信息进行PID运算，然后对PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集的原副边谐振网络中原边的电流峰值，并将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角。
当判断蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制的具体操作为：
逆变器输出频率与原副边谐振网络的谐振频率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，再将蓄电池的充电电压和电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据预设蓄电池的充电功率给定值、以及蓄电池的充电电压和电流信息进行PID运算，然后对PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集的原副边谐振网络中原边的电流峰值，并将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角。
当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制方法进行控制的具体操作为：
逆变器输出频率与原副边谐振网络的分叉频率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，将蓄电池的充电电压和电流信息发送到逆变器的控制器中，逆变器控制器根据蓄电池的预设恒压充电给定值及蓄电池的充电电压信息进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集原副边谐振网络中原边的谐振电流峰值，再将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角。
判断蓄电池的充电阶段的具体操作为：
整流器的控制器采集蓄电池的电压信息及电流信息，然后将蓄电池的电压信息及电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据蓄电池的电压信息及电流信息计算蓄电池的等效直流电阻，然后根据蓄电池的等效直流电阻判断蓄电池的充电阶段。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法在具体操作时，通过判断蓄电池的充电阶段，再根据蓄电池所处的充电阶段对逆变器采用不同的控制方法进行控制，当蓄电池处于恒流充电阶段时，则对逆变器采用定频移相控制；当蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制；当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制，从而使蓄电池能够在全范围进行高效率充电，同时使整个充电系统安全性及稳定性得到大幅提升。
进一步，将原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，在提高系统的动态响应能力的同时能够限定原边谐振网络的电感电流峰值。在跳频移相控制过程中，逆变器输出频率与原副边谐振网络的分叉频率相等且恒定，实现了蓄电池轻载充电下系统的稳定。采用上述蓄电池的三段式充电方法，可降低对无线充电机的最大充电功率裕量的要求，提高资源利用率和系统运行的稳定性和安全性。
附图说明
图1为本发明中无线电能传输系统的开环主电路图；
图2(a)为蓄电池充电电压和电流随蓄电池等效直流电阻RBT的变化曲线；
图2(b)为蓄电池的充电功率随蓄电池等效直流电阻RBT的变化曲线；
图3(a)为无线电能传输系统的总体运行控制框图；
图3(b)为无线电能传输系统的频率控制逻辑图；
图3(c)为无线电能传输系统的控制框图；
图4为蓄电池全范围充电时系统电压增益的变化曲线图
图5(a)为无线电能传输系统的运行于A点的稳态Matlab仿真波形图；
图5(b)为无线电能传输系统的运行于B点左侧的仿真波形图；
图5(c)为无线电能传输系统的运行于C点左侧的稳态Matlab仿真波形图；
图5(d)为无线电能传输系统的运行于C点右侧的稳态Matlab仿真波形图；
图5(e)为无线电能传输系统的运行于D点的稳态Matlab仿真波形图；
图6为充电电压和电流随蓄电池等效直流电阻的变化曲线图；
图7为充电功率和效率随蓄电池等效直流电阻的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
图1中IL1、IL2分别为原边线圈及副边线圈的基波电流有效值，U1、U2分别为逆变器的交流输出基波电压有效值及整流器的中点电压基波有效值，V1、I1分别为无线电能传输系统的直流输入电压及直流输入电流，V2、I2分别为无线电能传输系统的直流输出电压及直流输出电流，VBT、IBT分别为蓄电池的端口电压及充电电流。
图3中Voref、Ioref、Poref分别为蓄电池的充电电压参考值、充电电流参考值及充电功率参考值，Vodc、Iodc、Podc分别为蓄电池的充电电压实际值、充电电流实际值及充电功率实际值，ωn为标幺化谐振角频率，φ为逆变器的移相角，I1ref为原副边谐振网络中原边线圈谐振电流的峰值给定值，I1fb为原副边谐振网络中原边线圈谐振电流的峰值采样值，如图3(a)所示，整流器的控制器采样蓄电池当前的输入电压VBT及输入电流IBT，通过2.4GHz的无线射频模块将蓄电池当前的输入电压VBT及输入电流IBT发送给逆变器的控制器中，逆变器根据蓄电池当前的输入电压VBT及输入电流IBT改变逆变器的频率及移相角。
如图3(b)所示，逆变器的控制器根据蓄电池当前的输入电压VBT及输入电流IBT计算蓄电池的等效输入电阻RBT，判断蓄电池所处的充电阶段，然后根据蓄电池所处的充电阶段给出充电指令，需要说明的是，当判断蓄电池位于恒流充电及恒功率充电阶段时，逆变器输出频率与原副边谐振网络的谐振频率相等且恒定；当判断蓄电池位于恒压充电阶段时，逆变器输出频率与原副边谐振网络的高分叉频率相等且恒定。综上所述，此控制策略通过调节逆变器移相角达到输出恒流、恒功率和恒压的控制目标。
本发明的关键技术在于采用蓄电池的三段式充电曲线，设计对应的三段式控制策略，通过整流器的控制器实时检测蓄电池充电的状态，从而根据蓄电池的状态给出逆变器的控制量。
参见图1，系统的能量传输部分由逆变器将直流电压逆变为高频的交流电压，驱动LC串联原副边谐振网络，副边接收线圈感应出高频的电感电压，经过副边的LC串联原副边谐振网络及整流器将交流电压整流为直流电压，然后再为蓄电池充电。
参考图2，当判断蓄电池处于A-B段时，逆变器采用定频移相控制；逆变器的标幺化角频率ωn固定为1，并且给定输出电流IBT的参考指令进行恒流控制，逆变器的控制器根据预设蓄电池的恒流充电给定值、以及蓄电池的充电电流信息进行PID运算，然后对PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；同时逆变器的控制器采集的原副边谐振网络中原边的电流峰值，并将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角，最终目的是通过调节原副边谐振网络中原边谐振电流的峰值改变整流器输出的直流电流。
当判断蓄电池处于图2中的B-C段时，即当蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制，逆变器输出频率与原副边谐振网络的谐振频率相等且恒定为1，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，然后将蓄电池的充电电压和电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据预设蓄电池的充电功率给定值、以及蓄电池的充电电压和电流信息进行PID运算，然后对PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集的原副边谐振网络中原边的电流峰值，并将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角，最终通过调节原副边谐振网络中原边谐振电流的峰值改变整流器的输出功率。
当判断蓄电池处于图2中的C-D段时，即当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制，逆变器输出频率ωn与原副边谐振网络的分叉频率相等且恒定，其中整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息发送到逆变器的控制器中，逆变器控制器根据蓄电池的预设恒压充电给定值及蓄电池的充电电压信息进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集原副边谐振网络中原边的谐振电流峰值，再将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角，最终通过调节原副边谐振网络的原边谐振电流的峰值改变整流器的输出电压。
图4为无线电能传输系统开环电压增益随开关频率的变化曲线图，图4中，REA、REB、REC、RED分别为无线电能传输系统工作于A、B、C、D点时整流器的等效输入交流电阻，图4中的A、B、C、D点分别为图2中的四个点，需要说明的是，在蓄电池从恒流充电切换到恒功率充电的过程中，由于蓄电池的等效电阻变化并不大，因此采用ωn＝1的定频控制，此时系统开环电压增益变化也不大。但是当系统进入恒压充电状态时，蓄电池的等效电阻变化范围很大，蓄电池电压增益变化很大，这十分不利于系统的稳定。因此，将谐振频率点切换到分叉频率处，考虑到逆变器的ZVS，将开关频率设置在高分叉频率ωnH处，当k＝0.2时，对应ωnH＝1.118，系统稳态运行的轨迹对应于图4中的虚线。
为了说明本发明所述控制方法的有效性，利用表1的参数对系统进行仿真，表1为蓄电池等效直流电阻的参数，其中，直流等效电阻RBT为整流器直流侧电压V2比V1的值；而交流等效电阻RE为整流器交流侧基波电压有效值U2比副边谐振网络的谐振电流有效值IL2的值。
表1
表2为列举的仿真和实验的系统参数，表2中，L1和L2分别为原边线圈及副边线圈的自感量，k为原边线圈与副边线圈之间的耦合系数，C1和C2分别为原边线圈及副边线圈的谐振电容，R1和R2分别为原边线圈及副边线圈的等效串联电阻，f0为系统的谐振频率。
表2
参见图5(a)，系统运行于A点时的稳态波形图，U1为逆变器交流侧的输出方波电压，IL为原副边谐振网络的原副边电感电流，V2为整流器的输出直流侧电压，可以看出V2＝48V，蓄电池的等效电阻直流电阻RBT＝12Ω，对应输出恒流I2＝4A，通过定频移相控制策略可以达到较好的控制效果。
参见图5(b)，系统运行于B点时的稳态波形图，可以看出输出电压V2＝62.5V，蓄电池的等效直流电阻RBT＝15.63Ω，对应输出恒流I2＝4A，通过定频移相控制策略可以达到较好的控制效果。
参见图5(c)，系统运行于C点左侧时的稳态波形图，可以看出输出电压V2＝72V，蓄电池的等效直流电阻RBT＝20.74Ω，对应输出功率PBT＝250W，通过定频移相控制策略可以达到较好的控制效果。
参见图5(d)，系统运行于C点右侧时的稳态波形图，可以看出输出电压V2＝72V，蓄电池的等效直流电阻RBT＝20.74Ω，对应输出功率PBT＝250W，通过跳频移相控制策略可以达到较好的控制效果。
参见图5(e)，系统运行于D点时的稳态波形图，可以看出输出电压V2＝72V，蓄电池等效直流电阻RBT＝144Ω，对应输出电压V2＝72V，输出电流I2＝0.5A，通过跳频移相控制策略可以达到较好的控制效果。
为了说明本发明所述控制方法的有效性，本发明从实验的角度验证了系统稳态运行的特性，并测量了系统全范围充电的输出电压、电流、功率和效率随蓄电池等效直流电阻RBT变化的曲线。
参见图6，系统稳态运行时，蓄电池的端电压V2和电流电流I2的标幺值随蓄电池的等效负载的变化关系，从图6中可以看出，在A-B段，蓄电池先以4A的电流进行恒流充电，蓄电池的电压V2缓慢上升，到达B点以后，系统以250W的功率对蓄电池进行恒功率充电，电流从4A缓慢减小，直至到达C点，在C点处，系统的输出电压为72V，输出电流3.47A；当系统从C点左侧跳转至右侧运行时，逆变器采用跳频控制，实现系统的稳压72V输出，直至运行至D点，系统进入浮充状态。
参见图7，系统稳态运行时，蓄电池的输出功率标幺值和整机效率随蓄电池的等效直流电阻RBT的变化关系。运行机理与图6一致，在定频控制下，蓄电池进行恒流和恒功率充电的过程中，效率基本维持在90％左右，当系统跳频至91.68kHz恒压输出时，效率较定频率ωn＝1时有较大的提升，效率随着蓄电池负载电阻的增大先增大后减小，效率最优值为93.56％。
综上所示，应用本发明控制方法之后，可使蓄电池进行全范围充电，充电效率较高。
Claims (5)
1.一种用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，其特征在于，基于无线电能传输系统的开环电路，所述无线电能传输系统的开环电路包括直流电源、逆变器、原副边谐振网络、整流器及蓄电池，直流电源、逆变器、原副边谐振网络、整流器及蓄电池依次相连接；
包括以下步骤：
判断蓄电池的充电阶段，所述蓄电池的充电阶段包括恒流充电阶段、恒功率充电阶段及恒压充电阶段；
当蓄电池处于恒流充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制；
当蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制；
当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制方法进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，其特征在于，当判断蓄电池处于恒流充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制的具体操作为：
逆变器的输出频率与原副边谐振网络的谐振频率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，再将蓄电池的充电电压及电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据预设蓄电池的恒流充电给定值与蓄电池的充电电流信息进行PID运算，然后对PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集的原副边谐振网络中原边的电流峰值，并将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角。
3.根据权利要求1所述的用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，其特征在于，当判断蓄电池处于恒功率充电阶段时，逆变器采用定频移相控制方法进行控制的具体操作为：
逆变器输出频率与原副边谐振网络的谐振频率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，再将蓄电池的充电电压和电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据预设蓄电池的充电功率给定值、以及蓄电池的充电电压和电流信息进行PID运算，然后对PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集的原副边谐振网络中原边的电流峰值，并将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角。
4.根据权利要求1所述的用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，其特征在于，当蓄电池处于恒压充电阶段时，逆变器采用跳频移相控制方法进行控制的具体操作为：
逆变器输出频率与原副边谐振网络的分叉频率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄电池的充电电压和电流信息，将蓄电池的充电电压和电流信息发送到逆变器的控制器中，逆变器控制器根据蓄电池的预设恒压充电给定值及蓄电池的充电电压信息进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定；
逆变器的控制器采集原副边谐振网络中原边的谐振电流峰值，再将所述原副边谐振网络中原边的电流峰值与原副边谐振网络中原边谐振电流峰值的给定进行PID运算，然后将PID运算的结果限定幅值后作为逆变器移相角的调制信号，再通过逆变器移相角的调制信号控制逆变器的移相角。
5.根据权利要求1所述的用于蓄电池全范围充电的闭环控制方法，其特征在于，判断蓄电池的充电阶段的具体操作为：
整流器的控制器采集蓄电池的电压信息及电流信息，然后将蓄电池的电压信息及电流信息转发至逆变器的控制器，逆变器的控制器根据蓄电池的电压信息及电流信息计算蓄电池的等效直流电阻，然后根据蓄电池的等效直流电阻判断蓄电池的充电阶段。
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