CN107482786B - 一种无线充电系统负载估计方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线充电系统负载估计方法，包括：步骤A、检测整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点，获取上升沿过零点时间；步骤B、选取整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压在一个周期内相邻的上升沿过零点，求得上升沿过零点时间差；步骤C、获取无线充电系统工作频率，并测量整流桥输入电感值；步骤D、利用整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率和整流桥输入电感值，估计无线充电系统负载；步骤E、随机选取不同时长的多个时间段，对多个时间段内的无线充电系统负载估计结果进行统计处理，得到估计值。本发明可为负载变化情况下的无线充电系统状态辨识和控制策略的制定提供依据。

Description

一种无线充电系统负载估计方法
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统的估计方法，特别涉及一种基于整流桥输入侧电压检测的无线充电系统负载估计方法。
背景技术
由于无导线连接、节省空间等优点，无线充电系统受到了越来越广泛的关注，并被引入到电动汽车、手机充电、智能家居等领域。在实际应用中，无线充电系统的负载会发生变化，进而影响无线充电系统的性能和控制策略。专利CN 104868572 A“无线充电系统及方法”对无线充电系统负载上的电压变化进行检测，但只是将检测的信号用于输出电压控制，而未涉及到无线充电系统负载估计的问题。专利CN 106030966 A“用于在无线充电中检测负载的方法”，提出了一种根据预定的传输信号波形信息发送信号，并基于所检测到的波形变化来检测无线充电系统负载的方法。但其只能判断负载设备是否存在，而不能对无线充电系统负载的值进行估计。专利CN 103475076 B“便携式电子设备无线充电系统及负载检测方法”，同时采用电流传感器和压力传感器对无线充电系统负载进行检测。但同样，其只能对负载设备是否存在进行定性判断，而不能定量地估计无线充电系统负载的值。因此，需要一种能够对无线充电系统负载进行定量估计，并且简单易行的方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不能简单有效地定量估计无线充电系统负载的问题，提出一种无线充电系统负载估计方法。本发明可为负载变化情况下的无线充电系统状态辨识和控制策略制定提供依据，进而提高无线充电系统的能量传输效率等性能指标，以及无线充电系统在负载变化情况下的安全性和稳定性。
应用所述无线充电系统负载估计方法的无线充电系统包括电源、逆变器、逆变器输出电感、原边补偿电容、无线能量传输线圈、副边补偿电容、整流桥输入电感、整流桥，以及负载；所述逆变器的输入端与电源连接，逆变器的输出端与逆变器输出电感的输入端相连，原边补偿电容的输入端与逆变器输出电感的输出端相连，原边补偿电容的输出端与无线能量传输线圈的输入端相连，无线能量传输线圈的输出端与副边补偿电容的输入端相连，副边补偿电容的输出端与整流桥输入电感的输入端相连，整流桥输入电感的输出端与整流桥的输入端相连，整流桥的输出端与负载连接。
本发明无线充电系统负载估计方法考虑整流桥非线性工作过程的影响，利用整流桥输入侧的高频电压信号对无线充电系统负载进行估计，包含以下步骤：
步骤A、对整流桥输入电压与整流桥输入电感之前的电压进行上升沿过零点检测，获取上升沿过零点时间；
步骤B、选取整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压在一个周期内相邻的上升沿过零点，求得上升沿过零点时间差；
步骤C、获取无线充电系统工作频率，并测量整流桥输入电感的值；
步骤D、利用整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率，以及整流桥输入电感的值，对无线充电系统负载进行估计；
步骤E、随机选取不同时长的多个时间段，对多个时间段内的无线充电系统负载估计结果进行统计处理，得到估计值。
所述的步骤A中，只对整流桥输入电压与整流桥输入电感之前的电压进行检测，而不检测无线充电系统中的电流变量；由于在高频情况下，电压传感器与电流传感器之间的延迟时间存在一定的差异，进而导致被测电压和被测电流之间的相角测量出现误差，影响无线充电系统负载的估计结果，特别是当被测电压与被测电流之间的相角接近90°时；所述的步骤A中只检测整流桥输入侧电压，避免了高频情况下由于电压传感器和电流传感器延迟时间不一致而引起的无线充电系统负载估计误差，从而提高了无线充电系统负载估计的精度。
所述的步骤A中，只检测整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点，而不需要检测电压幅值；由于检测电压幅值需要增加额外的电路或者程序，因此，所述的步骤A中只检测电压上升沿过零点的实现方法具有简化电压检测电路的优点。
所述的步骤A中，整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间获取方法包括：采用示波器直接测量，采用运算放大器搭建专用的上升沿过零点检测电路，以及采用数字信号处理器对采集的电压信号进行编程处理等。
所述的步骤B中，上升沿过零点时间差的求取方法为：在整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的一个周期内，选取相邻的上升沿过零点；上升沿过零点时间差等于整流桥输入电压的上升沿过零点时间tur减去同一周期内相邻的整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间tuc。
所述的步骤C中，只需要获取无线充电系统工作频率，并测量整流桥输入电感的值；无线充电系统中存在众多参数，其中部分参数的值不能直接测量得到，还需要相应的计算过程；例如无线能量传输线圈之间的互感；而所述的步骤C中不需要无线充电系统的其他参数，尤其是无线能量传输线圈之间的互感等不能直接测量的参数，具有测量参数少、不需要额外计算、易于实现的优点。
所述的步骤C中，无线充电系统工作频率为无线充电系统中逆变器的工作频率，由逆变器控制信号决定，可以通过逆变器控制信号的参数直接获得；而整流桥输入电感的值可采用阻抗分析仪或者LCR(电感-电容-电阻)表在无线充电系统工作频率处测量得到。
所述的步骤D中，利用整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率，以及整流桥输入电感的值，通过公式(1)，对无线充电系统负载的值进行估计：
RL_Sesti＝2πLsf/tan(2πf(tur-tuc)) (1)
其中，RL_Sesti为无线充电系统负载的估计值，Ls为整流桥输入电感的测量值，f为无线充电系统的工作频率，tur为整流桥输入电压的上升沿过零点时间，tuc为同一周期内相邻的整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间。
所述的步骤D中，无线充电系统负载的估计过程仅需要整流桥输入电感的测量值、无线充电系统的工作频率、整流桥输入电压的上升沿过零点时间、同一周期内相邻的整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间这四个参数；同时，正切函数(tan)也很容易以查表等形式通过程序实现；因此，所述的步骤D中的估计过程在实现无线充电系统负载量化估计的同时，具有计算量小、简单易行的优点。
所述的步骤E中，对随机选取的不同时长的多个时间段内的无线充电系统负载估计结果进行统计处理，以尽量减小测量误差、计算误差、随机干扰等因素对无线充电系统负载估计结果的影响，从而得到精确的无线充电系统负载估计值。
所述的步骤E中，对随机选取的不同时长的多个时间段内的无线充电系统负载估计结果进行统计处理的方法包括：剔除坏值、平均化、方差分析、回归分析等；上述统计处理方法能够提高无线充电系统负载的估计精度。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、实现无线充电系统负载的量化估计，并且计算量小、简单易行；
2、只对电压信号进行过零点检测，避免误差的同时简化了检测电路；
3、采用统计处理方法，能够提高无线充电系统负载的估计精度。
附图说明
图1为本发明无线充电系统负载估计方法的流程图；
图2为应用本发明的无线充电系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中采用的无线充电系统的具体电路图。
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。
应用本发明的无线充电系统的结构如图2所示。应用所述无线充电系统负载估计方法的无线充电系统包括电源201、逆变器202、逆变器输出电感203、原边补偿电容204、无线能量传输线圈205、副边补偿电容206、整流桥输入电感207、整流桥208，以及负载209；所述逆变器202的输入端与电源201连接，逆变器202的输出端与逆变器输出电感203的输入端相连，原边补偿电容204的输入端与逆变器输出电感203的输出端相连，原边补偿电容204的输出端与无线能量传输线圈205的输入端相连，无线能量传输线圈205的输出端与副边补偿电容206的输入端相连，副边补偿电容206的输出端与整流桥输入电感207的输入端相连，整流桥输入电感207的输出端与整流桥208的输入端相连，整流桥208的输出端与负载209连接。
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
本实施例中，采用的无线充电系统的具体电路如图3所示。其中，Ud为电源201；开关管G1-G4组成逆变器202；Lp为逆变器输出电感203；串联电容C1s和并联电容C1p组成原边补偿电容204；原边线圈L1和副边线圈L2组成无线能量传输线圈205；串联电容C2s和并联电容C2p组成副边补偿电容206；Ls为整流桥输入电感207；功率二极管D1-D4组成整流桥208；RL为负载209；Cin与Co为系统输入和输出滤波电容。
本实施例中，基于图3所示的无线充电系统，采用本发明的方法，对其负载209，即RL的值进行估计，具体步骤如图1所示：
步骤A、对整流桥输入电压与整流桥输入电感之前的电压进行上升沿过零点检测，获取上升沿过零点时间；
采用示波器直接测量的方法，得到由功率二极管D1-D4组成的整流桥208的输入电压的上升沿过零点时间；进而，用同样的方法得到整流桥输入电感207之前电压的上升沿过零点时间。
步骤B、选取整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压在一个周期内相邻的上升沿过零点，求得上升沿过零点时间差；
在整流桥208输入电压与整流桥输入电感207之前电压的一个周期内，选取相邻的上升沿过零点；而上升沿过零点时间差等于整流桥208输入电压的上升沿过零点时间tur减去同一周期内相邻的整流桥输入电感207之前电压的上升沿过零点时间tuc。
步骤C、获取无线充电系统工作频率，并测量整流桥输入电感的值；
通过无线充电系统中逆变器202的工作频率获得无线充电系统的工作频率f；并使用LCR(电感-电容-电阻)表在无线充电系统工作频率处测量整流桥输入电感207的值Ls。
步骤D、利用整流桥输入电压与整流桥输入电感之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率，以及整流桥输入电感的值，对无线充电系统负载进行估计；
利用整流桥208输入电压与整流桥输入电感207之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率f，以及整流桥输入电感207的值Ls，通过公式(1)，对无线充电系统负载209，即RL的值进行估计。
步骤E、随机选取不同时长的多个时间段，对多个时间段内的无线充电系统负载估计结果进行统计处理，得到估计值。
以整流桥208输入电压与整流桥输入电感207之前电压的整数倍周期为基准，随机选取五个不同时长的时间段，并计算每个时间段内无线充电系统负载209的估计结果；首先剔除坏值，然后进行线性回归分析和平均化处理，以尽量减小测量误差、计算误差、随机干扰等因素的影响；最后得到无线充电系统负载209，即RL的估计值为41.3Ω；比较RL的实际值42.9Ω，可得无线充电系统负载209的估计误差仅为3.7％，达到了比较高的精度。故本发明的方法能够实现无线充电系统负载209的量化估计，并且具有很好的应用效果。

Claims (3)

1.一种无线充电系统负载估计方法，应用所述无线充电系统负载估计方法的无线充电系统包括电源(201)、逆变器(202)、逆变器输出电感(203)、原边补偿电容(204)、无线能量传输线圈(205)、副边补偿电容(206)、整流桥输入电感(207)、整流桥(208)，以及负载(209)；所述逆变器(202)的输入端与电源(201)连接，逆变器(202)的输出端与逆变器输出电感(203)的输入端相连，原边补偿电容(204)的输入端与逆变器输出电感(203)的输出端相连，原边补偿电容(204)的输出端与无线能量传输线圈(205)的输入端相连，无线能量传输线圈(205)的输出端与副边补偿电容(206)的输入端相连，副边补偿电容(206)的输出端与整流桥输入电感(207)的输入端相连，整流桥输入电感(207)的输出端与整流桥(208)的输入端相连，整流桥(208)的输出端与负载(209)连接，
其特征在于：所述的无线充电系统负载估计方法考虑整流桥(208)非线性工作过程的影响，利用整流桥(208)输入侧的高频电压信号对无线充电系统负载(209)进行估计，步骤如下：
步骤A、对整流桥(208)输入电压与整流桥输入电感(207)之前的电压进行上升沿过零点检测，获取上升沿过零点时间；
步骤B、选取整流桥(208)输入电压与整流桥输入电感(207)之前电压在一个周期内相邻的上升沿过零点，求得上升沿过零点时间差；
步骤C、获取无线充电系统工作频率，并测量整流桥输入电感(207)的值；
步骤D、利用整流桥(208)输入电压与整流桥输入电感(207)之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率，以及整流桥输入电感(207)的值，对无线充电系统负载(209)进行估计；
步骤E、随机选取不同时长的多个时间段，对多个时间段内的无线充电系统负载(209)估计结果进行统计处理，得到估计值。
2.按照权利要求1所述的无线充电系统负载估计方法，其特征在于：所述的步骤B中上升沿过零点时间差的求取方法为：在整流桥(208)输入电压与整流桥输入电感(207)之前电压的一个周期内，选取相邻的上升沿过零点；上升沿过零点时间差等于整流桥(208)输入电压的上升沿过零点时间tur减去同一周期内相邻的整流桥输入电感(207)之前电压的上升沿过零点时间tuc。
3.按照权利要求1所述的无线充电系统负载估计方法，其特征在于：所述的步骤D中，利用整流桥(208)输入电压与整流桥输入电感(207)之前电压的上升沿过零点时间差、无线充电系统工作频率，以及整流桥输入电感(207)的值，通过以下关系式对无线充电系统负载(209)的值进行估计：
RL_Sesti＝2πLsf/tan(2πf(tur-tuc))
其中，RL_Sesti为无线充电系统负载(209)的估计值，Ls为整流桥输入电感(207)的测量值，f为无线充电系统的工作频率，tur为整流桥(208)输入电压的上升沿过零点时间，tuc为同一周期内相邻的整流桥输入电感(207)之前电压的上升沿过零点时间。
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