CN106340974B - 应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法，系统工作分为两个阶段，即参数在线识别阶段和恒压功率输出阶段；系统工作在参数在线识别阶段时，系统需要切换工作在两个工作频率点，第一个工作频率设定为偏移谐振频率±5％左右，第二个工作频率设定为谐振频率f₀；系统工作在参数识别阶段时，通过反馈原边电流i₁的瞬时值，得到原边电流的相位信息和有效值或幅值信息，用于计算主电路的反射阻抗，从而求得负载的电感和电阻值及原、副边线圈间的耦合系数；得到相应的阻抗值和耦合系数后，系统切换到恒压功率输出阶段，此时依据识别出的阻抗值和耦合系数求得输出电压控制参量，与耦合系数一起作为初始值赋给控制器。

Description

应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法

技术领域

本发明属于无线电能传输控制技术领域，具体涉及一种应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法。

背景技术

现在的无线电能传输输出电压控制技术主要分为原边控制和副边控制。

副边控制通过在负载和接收电路之间串连一个DC-DC电路(一般均为Boost电路)用于调节输出电压的稳定，副边电压控制方法的优点是控制简单，输出电压稳定，但副边控制困难，且需要增加装置的复杂度。

原边控制采样副边的输出电压作为反馈量，通过无线传输(如Wi-Fi)的方式传输到原边控制器，从而形成电压闭环控制，使输出电压保持稳定。原边电压控制方法无需在副边增加DC-DC电路，使副边主电路变得简单，但是需要在副边增加无线信号传输装置，也会在一定程度上增加副边的复杂性。另外，由于无线信号传输的速率有限，反馈控制的快速性会受到影响，而当系统的工作频率较高时，依靠无线信号传输形成的闭环反馈控制就不能快速的保证输出电压稳定。

目前已经有关于不需要与副边无线通信的原边控制方案，这种方案的思想是，基于副边电压输出变化是由于负载电阻值的变化引起的，通过在线实时识别负载的变化情况，推算出副边电压的输出值，以这个计算量作为间接反馈量，形成电压闭环控制，使输出电压稳定。上述控制方案仅仅考虑负载为阻性的情况，而实际情况是负载大多数为阻感性；而且须设定耦合系数为一定值，实际情况是耦合系数是随着原副边线圈位置的不同而不同，在每次能量传输的过程中，耦合系数均是不同的。这两个缺陷限制了这种控制方法的应用。

目前也已经有关于负载和耦合系数在线识别的方法。通过使系统工作在非谐振频率点，检测原边的电流和直流电压，通过相关的计算得到负载的阻值和耦合系数的大小。但是这种方法依然无法处理常见的阻感性负载的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法，该控制方法能够通过使系统工作在两个频率点，得到相应的原边电流的有效值(或幅值)和相位，并采样直流输入电压的值，进而计算出阻感性负载的电阻值和电感值，以及耦合系数的大小，从而使系统可以切换至原边电压控制方式。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法，包括以下几个步骤：

1)首先将系统工作分为两个阶段：参数在线识别阶段和恒压功率输出阶段；

2)系统工作在参数在线识别阶段时，系统需要切换工作在两个工作频率点：第一个工作频率设定为偏移谐振频率±5％左右，如f＝1.05f₀或者f＝0.95f₀，f₀，第二个工作频率设定为谐振频率f₀；

3)系统工作在参数识别阶段时，通过反馈原边电流i₁的瞬时值，从而得到原边电流的相位信息和有效值或幅值信息，用于计算主电路的反射阻抗，从而求得负载的电感和电阻值及原、副边线圈间的耦合系数；

4)当经过参数识别阶段得到相应的阻抗值和耦合系数后，系统需要切换到恒压功率输出阶段，此时依据识别出的阻抗值和耦合系数求得输出电压控制参量(如在移相控制中，为移相角)，与耦合系数一起作为初始值赋给控制器；

5)系统工作在恒压功率输出阶段时，原、副边线圈位置已经固定，耦合系数不发生变化，此时需要实时识别阻抗负载的变化(负载的阻抗会随着功率的传输发生有规律或者无规律的变化)，由反馈原边电流与电源侧直流电压，计算出实时的负载阻抗值；

6)系统工作在恒压功率输出阶段时，当通过识别得到负载阻抗值后，则根据电路工作原理计算出副边电压实际输出的电压值，与给定需要输出的电压值(参考值)做比较，两者的差值作为闭环控制PI调节器的输入，通过闭环反馈调节，使输出电压稳定。

对前述几个方面的特点补充叙述如下：

在步骤1)中，所述的两种工作阶段，恒压功率输出阶段作为系统正常工作状态，在此阶段系统传输功率；参数在线识别阶段为系统的启动阶段，在此阶段检测副边线圈的位置(耦合系数)及阻感性负载的初始值，此阶段工作时间应保证完成参数在线识别。

在步骤2)中，所述的参数在线识别阶段的两个工作状态的频率选择，首先使系统工作在非谐振频率点，待参数测定后切换至谐振频率点，这样可以保证系统由参数在线识别阶段切换至恒压功率输出阶段时不用变换频率，从而避免切换时的暂态过程：

在步骤3)中，所述的由反馈的原边电流的相位信息和有效值信息(或幅值信息)求耦合系数和阻抗值的公式如下所示：

首先求得反射阻抗，公式如下

通过两个频率点工作求得两个反射阻抗(其中Z_ref1由非谐振频率点求得，Z_ref2由谐振频率点求得)，从而求得阻感性负载和耦合系数的值

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明能够通过使系统工作在两个频率点，进而经过一系列的推导和代换，在线识别出阻感性负载的电阻值、电感值和原、副边线圈的耦合系数。这个过程的完成是在系统启动阶段，或者原、副边线圈的位置发生了变化时进行的。

进一步地，本发明能够通过在启动阶段通过在线识别的方法得到负载阻抗值和原副边耦合系数的值，进而得到恒压功率输出阶段的初始电压控制量(如移相角)，从而使系统能够快速的进入稳压充电阶段，而不会有太长时间的暂态过程。

进一步地，本发明可以识别出耦合系数的大小，从而为无线电能传输原边控制方法提供一个正确的耦合系数值，从而使无信号传输的原边控制方法实现对副边电压稳定的控制。

附图说明

图1为基于负载和耦合系数在线识别的无线电能传输原边控制结构框图

图2为负载在线识别采样信号流程结构框图

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

图1为基于负载和耦合系数在线识别的无线电能传输稳压原边控制结构。在图中，直流输入电压先经过一个DC-DC模块调压后，在经过高频逆变成高频方波电压，这里需要说明的是，DC-DC模块不是必须的，当我们采用移相全桥控制时，此模块可以省去。高频方波传输给带有补偿电路的原边线圈，经过谐振将能量传输给副边的接收线圈，然后通过高频整流后变成直流电压送给负载。

图2为我们实现副边参数在线识别算法所需要采样的原边信号信息及处理流程图。首先，我们需要采样原边电流瞬时值，基于电流瞬时值得到原边电流的有效值或者幅值，和原边电流相对于逆变器输出电压间的相位差。其中有限制或幅值得到的方法可以采用同步整流，但不仅仅局限于此，相位差检测的方法可以采用过零检测，但也不仅仅局限于此方法。之后我们将原边电流有效值或幅值、电压电流相位差，和逆变器直流侧电压值一起送入参数识别模块，进行参数识别。

在控制回路中，我们采样逆变电路直流输入电压和原边电流瞬时值，然后将我们需要的反馈量送给控制处理器。根据这些反馈量，处理器会得到我们需要的电压控制量(对于移相全桥控制来说，指的是移相角)，控制输出电压。该方案的具体实现过程叙述如下：

首先使系统工作在非谐振工作频率点f₁，此时对电路进行采样和采样信号处理，具体信号流图如图2所示。通过对信号的相关处理我们可以得到电流信号的相位延迟时间T_delay和有效值I_p，从而带入上面的工作求得反射阻抗的实部Re(Z_ref0)和虚部Im(Z_ref0)。接着将系统切换到谐振工作频率点，经过同样的过程得到反射阻抗的实部Re(Z_ref1)和虚部Im(Z_ref1)。然后通过上面列出的计算公式即可求得负载的阻抗值R_e和L_e，以及原、副边线圈的耦合系数M。

三个参数的计算公式如下所示：

之后系统切换至恒压功率输出阶段，在切换时，我们需要给初始电压控制量(如移相全桥控制中的移相角)和初始耦合系数进行赋值。其中耦合系数的赋值直接用我们识别的值，而初始电压控制量需要经过相应的计算才能求得。如采取移相控制，移相角的计算公式如下：

这样系统就可以稳定快速的切换至恒压功率输出阶段，此阶段系统工作在稳压原边控制过程，与目前的存在的方案差别不大，这里就不在赘述。

之后当副边线圈重新放置后或者位置发生变化时，重复此在线识别算法，测定相应的耦合系数以及阻抗值，从而切换至恒压功率输出阶段。

Claims (3)

1.应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1)首先将系统工作过程划分为两个阶段：参数在线识别阶段和恒压功率输出阶段；

2)系统工作在参数在线识别阶段时，系统需要切换工作在两个工作频率点：第一个工作频率设定为偏移谐振频率f₀±5％，第二个工作频率设定为谐振频率f₀；

3)系统工作在参数识别阶段时，通过反馈原边电流i₁的瞬时值，从而得到原边电流的相位信息和有效值信息，用于计算主电路的反射阻抗，从而求得负载的电感和电阻值及原、副边线圈间的耦合系数；

4)当经过参数识别阶段得到相应的阻抗值和耦合系数后，系统切换到恒压功率输出阶段，此时依据识别出的阻抗值和耦合系数求得输出电压控制参量；

5)系统工作在恒压功率输出阶段时，原、副边线圈位置已经固定，耦合系数不发生变化，此时需要实时识别负载的变化，负载的阻抗会随着功率的传输发生有规律或者无规律的变化，由反馈原边电流与电源侧直流电压，计算出实时的负载值；

6)系统工作在恒压功率输出阶段时，当通过识别得到负载阻抗值后，则根据电路工作原理计算出副边电压实际输出的电压值，与给定需要输出的电压值做比较，两者的差值作为闭环控制PI调节器的输入，通过闭环反馈调节，使输出电压稳定；

步骤1)中，所述两个阶段，恒压功率输出阶段作为系统正常工作状态，在此阶段系统传输功率；参数在线识别阶段为系统的启动阶段，在此阶段检测原、副边线圈间的耦合系数及阻感性负载的初始值，此阶段工作时间应保证完成参数在线识别。

2.根据权利要求1所述的应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法，其特征在于，步骤3)中，所述的由反馈的原边电流的相位信息和有效值信息或幅值信息求耦合系数和阻抗值的公式如下所示：

首先求得反射阻抗，公式如下

其中：R_p、L_p和C_p分别为原边线圈的寄生电阻、电感值和电容值，T_delay为原边电流和方波电压的相位差，E_DC为逆变器输入直流电压；

通过两个频率点工作求得两个反射阻抗，其中Z_ref1由非谐振频率点求得，Z_ref2由谐振频率点求得，从而求得阻感性负载和耦合系数的值：

其中：

3.根据权利要求1所述的应用于无线电能传输原边控制的阻感性负载在线识别算法，其特征在于，步骤4)中，在由参数在线识别阶段切换到恒压功率输出阶段时，需要根据识别出的阻感值和耦合系数计算出初始控制量，如在移相控制中指的是移相角，保证系统初切换到恒压功率输出阶段时，输出电压就能稳定在所需要的电压，确保系统工作的稳定，当采用移相控制方式时，移相角的计算公式如下所示：

其中：R_e、L_e和M是在线识别的阻抗值和互感值，R₁、R₂分别为原副边线圈的寄生电阻，U_s为逆变器输入直流电压，U_ref为期望输出的直流电压。