CN107490737B - 一种无线充电系统负载和互感估计方法 - Google Patents

一种无线充电系统负载和互感估计方法 Download PDF

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Abstract

一种无线充电系统负载和互感估计方法，步骤如下：步骤A、对逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容的电压、及无线能量传输线圈输入电流进行上升沿过零点检测，获取在一个周期内上升沿过零点时间；步骤B、获取无线充电系统工作频率，测量原边补偿电路中电感和电容值，以及无线能量传输线圈原边和副边自感值，计算副边电路反射复阻抗；步骤C、获取副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系；步骤D、利用副边电路反射复阻抗以及副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系对负载进行估计；步骤E、利用副边电路反射复阻抗、副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系以及负载的估计值对互感进行估计。

Description

一种无线充电系统负载和互感估计方法
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统的负载和互感估计方法。
背景技术
由于使用方便、无导线连接等优点，无线充电系统受到了越来越广泛的关注，并被引入到嵌入式医疗、电动汽车、智能家居等领域。在实际应用中，无线充电系统的负载和互感会发生变化，进而影响无线充电系统的性能和控制策略。专利CN 106532982 A“一种负载在线识别的无线电能传输系统及负载识别方法”通过提取并检测负载电流中的基波和谐波电流的含量和大小，建立关于负载阻值和电抗的方程组，从而识别出负载的性质及大小。然其是在副边进行检测，需要额外的通信回路将所检测的负载信息传递到原边进行控制，且该方法无法对互感大小进行检测。专利CN 106786886 A“一种基于负载识别技术的无线充电系统充电方法”，提出了一种通过检测与原边线圈并联的电容上的电压信息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合法，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和互感同时进行定量估计，并且简单易行的方法。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术不能简单有效地同时定量估计无线充电系统负载和互感的问题，提出一种无线充电系统负载和互感估计方法。本发明可为负载和互感变化情况下的无线充电系统的控制方法提供依据，以达到无线充电系统所需的输出性能指标。
应用所述无线充电系统负载和互感估计方法的无线充电系统包括母线电源、逆变器、原边补偿电路、无线能量传输线圈、副边补偿电路、整流桥，以及负载。所述逆变器的输入端与母线电源连接，逆变器的输出端与原边补偿电路输入端相连，原边补偿电路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路的输入端相连，副边补偿电路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和互感估计方法考虑到直接对无线能量传输线圈输入侧电压电流信号的采集和计算对负载和互感估计精度的影响，采用无线能量传输线圈输入侧电压电流信号的过零点时间差代替其各自基波分量的相位差进行参数估计，包含以下步骤：
步骤A、对逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容的电压、以及无线能量传输线圈输入电流进行上升沿过零点检测，获取在一个周期内其各自上升沿过零点时间；
步骤B、获取无线充电系统工作频率，测量原边补偿电路中电感和电容值，以及无线能量传输线圈原边和副边自感值，结合一个周期内逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容的电压、以及无线能量传输线圈输入电流其各自上升沿过零点时间计算副边电路反射复阻抗；
步骤C、获取副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系；
步骤D、利用副边电路反射阻抗以及副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系对负载进行估计；
步骤E、利用副边电路反射复阻抗、副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系以及负载的估计值对互感进行估计。
所述的步骤A中，只对逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容的电压、以及无线能量传输线圈输入电流进行上升沿过零点检测，而不需要检测电压电流幅值；由于电压电流幅值的采集结果往往存在噪声干扰，且需要进一步大量计算才能得到电压电流有效值和相位，因此，所述的步骤A中只检测电压电流上升沿过零点的方法具有简单且检测误差小等优点。
所述的步骤A中，逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容的电压、以及无线能量传输线圈输入电流的上升沿过零点时间获取方法为：采用高频运算放大器搭建专用的上升沿过零点检测电路，采用数字信号处理器的捕获模块单元进行上升沿检测，对采集的过零点进行计算。
所述的步骤A中，获取在一个周期内逆变器输出电压、原边补偿电路并联电容的电压及无线能量传输线圈输入电流各自上升沿过零点时间的求取方法为：以逆变器输出电压上升沿过零点时间tur为基准，并保存该时间点值，同时保存在该基准时间点后与该基准时间点相邻的原边补偿电路中并联电容的电压上升沿过零点时间tuc和无线能量传输线圈输入电流的上升沿过零点时间tup。
所述的步骤B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。原边补偿电路中的电感和电容值和无线能量传输线圈自感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B中，计算副边电路反射阻抗的方法为：用一个周期内的逆变器输出电压上升沿过零点和原边补偿电路中并联电容的电压上升沿过零点的时间差、逆变器输出电压上升沿过零点和无线能量传输线圈输入电流的上升沿过零点的时间差，以及原边补偿电路中并联电容的电压上升沿过零点和无线能量传输线圈输入电流的上升沿过零点的时间差代替其各自基波分量的相位差，结合无线充电系统工作频率、原边补偿电路中电感和电容值，及无线能量传输线圈自感值，通过公式(1)和(2)对副边电路反射复阻抗的值进行计算：
其中，Rref为副边电路反射复阻抗的实部，Xref为副边电路反射复阻抗的虚部，Lp为无线能量传输线圈原边线圈自感的测量值，L1为原边补偿电路的电感的测量值，Cp1、Cp2为原边补偿电路的两个电容的测量值，f为无线充电系统的工作频率，tur为逆变器输出电压上升沿过零点时间，tuc为同一周期内与基准时间点相邻的原边补偿电路中并联电容的电压上升沿过零点时间，tup为同一周期内与基准时间点相邻的无线能量传输线圈输入电流的上升沿过零点时间。
所述的步骤C中，由于副边补偿电路的等效输入复阻抗与副边补偿电路的输入电压或电流无关，当副边补偿电路的参数值固定时，副边补偿电路的等效输入复阻抗只与负载的大小有关。在实际无线充电系统中，副边补偿电路的参数值几乎是固定的，因此可以建立副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载一一对应的函数关系。
所述的步骤C中，获取副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载的函数关系的方法为：利用MATLAB对所述的无线充电系统在不同的负载情形下进行仿真，并保存负载值及其所对应的副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部、虚部值。为了提高曲线拟合精度和计算简便，利用二次函数对所保存的负载值和副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部值以及负载值和副边补偿电路的等效输入复阻抗的虚部值进行拟合，获取副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载的函数关系。
所述的步骤D中，因为负载的估计值与互感无关，与副边电路反射复阻抗的实部与虚部的比值有关，因此先对负载进行估计。对负载进行估计的方法为：利用副边电路反射阻抗的实部和虚部以及所拟合的副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载的二次函数关系通过公式(3)对无线充电系统负载的值进行估计：
其中，Rl_cal为无线充电系统负载的估计值，Ls为无线能量传输线圈副边自感的测量值，k为副边电路反射阻抗的实部Rref与副边电路反射阻抗的虚部Xref的比值，f为无线充电系统的工作频率，a2、a1、a0为副边补偿电路的等效输入复阻抗实部与负载的二次函数多项式从高到低各项的系数，b2、b1、b0为副边补偿电路的等效输入复阻抗虚部与负载的二次函数多项式从高到低各项的系数。
所述的步骤E中，对互感进行估计的方法为：首先利用负载的估计值和副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的二次函数关系式求出副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部Rc与虚部Xc，然后利用公式(4)对无线充电系统互感的值进行估计：
其中，M_cal为无线充电系统互感的估计值，Rc为副边补偿电路的等效输入复阻抗的实部，Xc为副边补偿电路的等效输入复阻抗的虚部，f为无线充电系统的工作频率，Rref为副边电路反射复阻抗的实部。
本发明具有以下有益效果：
1、实现无线充电系统负载和互感的量化估计，并且计算量小、简单易行；
2、只对信号进行过零点检测，简化了检测电路；
3、避免了幅值采集时的误差，能够提高无线充电系统负载和互感的估计精度。
附图说明
图1为本发明无线充电系统负载和互感估计方法的流程图；
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；
图4为本发明实施例中采用的无线充电系统进行解耦后的简化电路图。
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母线电源201、逆变器202、原边补偿电路203、无线能量传输线圈204、副边补偿电路205、整流桥206，以及负载207；所述逆变器202的输入端与母线电源201连接，逆变器202的输出端与原边补偿电路203的输入端相连，原边补偿电路203的输出端与无线能量传输线圈204的输入端相连，无线能量传输线圈204的输出端与副边补偿电路205的输入端相连，副边补偿电路205的输出端与整流桥206的输入端相连，整流桥206的输出端与负载207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及其进行解耦简化电路分别如图3和图4所示。其中，Ud为母线电源201；开关管G1-G4组成逆变器202；电感L1、串联电容Cp1和并联电容Cp2组成原边补偿电路203；原边线圈Lp和副边线圈Ls组成无线能量传输线圈204；M为原边线圈Lp和副边线圈Ls之间的互感；Zref为副边电路反射复阻抗，Rzef、Xref分别为Zref的实部和虚部；电感L2、串联电容Cs1和并联电容Cs2组成副边补偿电路205；Zc为副边补偿电路205的等效输入复阻抗，Rc、Xc分别为Zc的实部和虚部；功率二极管D1-D4组成整流桥206；RL为负载207；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207，即RL的值和互感M进行估计，具体步骤如图1所示：
步骤A、对逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容上的电压、以及无线能量传输线圈输入电流进行上升沿过零点检测，获取在一个周期内其各自上升沿过零点时间；
采用高频运算放大器搭建上升沿过零点检测电路，通过数字信号处理器的捕获模块单元进行上升沿检测，以逆变器202输出电压上升沿过零点时间tur为基准，保存该时间点值，同时保存在该基准时间点后与该基准点相邻的原边补偿电路203中并联电容的电压上升沿过零点时间tuc和无线能量传输线圈204输入电流的上升沿过零点时间tup。
步骤B、获取无线充电系统工作频率，测量原边补偿电路的电感和电容值及无线能量传输线圈原边和副边自感值，结合一个周期内逆变器输出电压、原边补偿电路中并联电容的电压、以及无线能量传输线圈输入电流其各自上升沿过零点时间计算副边电路反射复阻抗；
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；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原边补偿电路203中电感和两个电容值，即L1，Cp1、Cp2，及无线能量传输线圈204原边和副边自感的值Lp、Ls；结合一个周期内逆变器202输出电压、原边补偿电路203中并联电容的电压，以及无线能量传输线圈204输入电流的上升沿过零点时间，通过公式(1)和公式(2)计算副边电路反射复阻抗。
步骤C、获取副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系；
利用MATLAB对所述的无线充电系统在负载207的值RL变化情形下进行仿真，并保存相应的负载207的值RL及其所对应的副边补偿电路205的等效输入复阻抗Zc的实部和虚部值，即Rc和Xc。为了提高曲线拟合精度和计算简便，利用二次函数分别对所保存的负载207的值RL和副边补偿电路205的等效输入复阻抗Zc的实部值Rc以及和虚部值Xc进行拟合，获取副边补偿电路205的等效输入复阻抗Zc的实部Rc、虚部Xc与负载207的函数关系。
步骤D、利用副边电路反射阻抗以及副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系对负载进行估计；
利用副边电路反射复阻抗Zref的实部Rref和虚部Xref以及所拟合的副边补偿电路205的等效输入复阻抗Zc的实部Rc、虚部Xc与负载207的二次函数关系通过公式(3)对无线充电系统负载207的值RL进行估计
步骤E、利用副边电路反射复阻抗、副边补偿电路的等效输入复阻抗与负载的函数关系以及负载的估计值对互感进行估计；
首先利用负载207的估计结果RL和副边补偿电路205的等效输入复阻抗Zc的实部Rc、虚部Xc与负载207的二次函数关系式，求出负载207的估计结果RL所对应的副边补偿电路205的等效输入复阻抗Zc的实部Rc与虚部Xc，然后利用公式(4)对无线充电系统互感的值M进行估计。

Claims (4)

1.一种无线充电系统负载和互感估计方法，应用所述无线充电系统负载和互感估计方法的无线充电系统包括母线电源(201)、逆变器(202)、原边补偿电路(203)、无线能量传输线圈(204)、副边补偿电路(205)、整流桥(206)，以及负载(207)；所述逆变器(202)的输入端与母线电源(201)连接，逆变器(202)的输出端与原边补偿电路(203)的输入端相连，原边补偿电路(203)的输出端与无线能量传输线圈(204)的输入端相连，无线能量传输线圈(204)的输出端与副边补偿电路(205)的输入端相连，副边补偿电路(205)的输出端与整流桥(206)的输入端相连，整流桥(206)的输出端与负载(207)连接，
其特征在于：所述的无线充电系统负载和互感估计方法采用逆变器(202)输出电压、原边补偿电路(203)中并联电容的电压以及无线能量传输线圈(204)输入电流的上升沿过零点在一个周期内的时刻值代替其各自基波分量的相位进行参数估计；
步骤如下：
步骤A、对逆变器(202)输出电压、原边补偿电路(203)中并联电容的电压、无线能量传输线圈(204)输入电流进行上升沿过零点检测，获取在一个周期内其各自上升沿过零点时间；
步骤B、获取无线充电系统工作频率，测量原边补偿电路(203)中的电感和电容值，以及无线能量传输线圈(204)的自感值，结合一个周期内逆变器(202)输出电压、原边补偿电路(203)中并联电容的电压，以及无线能量传输线圈(204)输入电流其各自上升沿过零点时间计算副边电路反射复阻抗；
步骤C、获取副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗与负载(207)的函数关系；
步骤D、利用计算出的副边电路反射复阻抗的实部和虚部值以及副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载(207)的函数关系，通过以下关系式对无线充电系统负载(207)的值进行估计：
其中，Rl_cal为无线充电系统负载(207)的估计值，Ls为无线能量传输线圈(204)副边自感的测量值，k为副边电路反射阻抗的实部Rref与副边电路反射阻抗的虚部Xref的比值，f为无线充电系统的工作频率，a2、a1、a0为副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗实部与负载(207)的二次函数多项式从高到低各项的系数，b2、b1、b0为副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗虚部与负载(207)的二次函数多项式从高到低各项的系数；
步骤E、利用计算出的副边电路反射复阻抗值、副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗与负载(207)的函数关系，以及负载(207)的估计值对互感进行估计：首先利用负载(207)的估计值和副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗与负载(207)的二次函数关系式求出副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部Rc与虚部Xc，然后利用以下关系式对无线充电系统互感的值进行估计：
其中，Mcal为无线充电系统互感的估计值，Rc为副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部，Xc为副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的虚部，f为无线充电系统的工作频率，Rref为副边电路反射复阻抗的实部。
2.按照权利要求1所述的无线充电系统负载和互感估计方法，其特征在于：所述的步骤A中，获取在一个周期内逆变器(202)输出电压、原边补偿电路(203)中并联电容的电压及无线能量传输线圈(204)输入电流各自上升沿过零点时间的求取方法为：以逆变器(202)输出电压上升沿过零点时间tur为基准，保存该基准时间点值，同时保存在该基准时间点后与该基准时间点相邻的原边补偿电路(203)中并联电容的电压上升沿过零点时间tuc和无线能量传输线圈(204)输入电流的上升沿过零点时间tup。
3.按照权利要求1所述的无线充电系统负载和互感估计方法，其特征在于：所述的步骤B中，计算副边电路反射阻抗的方法为：用一个周期内的逆变器(202)输出电压上升沿过零点和原边补偿电路(203)中并联电容的电压上升沿过零点的时间差、逆变器(202)输出电压上升沿过零点和无线能量传输线圈(204)输入电流的上升沿过零点的时间差，以及原边补偿电路(203)中并联电容的电压上升沿过零点和无线能量传输线圈(204)输入电流的上升沿过零点的时间差代替其各自基波分量的相位差，并结合无线充电系统工作频率、原边补偿电路(203)中电感和电容值及无线能量传输线圈(204)自感值，通过以下关系式对副边电路反射复阻抗的值进行计算：
其中，Rref为副边电路反射复阻抗的实部，Xref为副边电路反射复阻抗的虚部，Lp为无线能量传输线圈(204)原边自感的测量值，L1为原边补偿电路(203)中电感的测量值，Cp1、Cp2为原边补偿电路(203)中两个电容的测量值，f为无线充电系统的工作频率，tur为逆变器(202)输出电压上升沿过零点时间，tuc为同一周期内与基准时间点相邻的原边补偿电路(203)中并联电容上的电压上升沿过零点时间，tup为同一周期内与基准时间点相邻的无线能量传输线圈(204)输入电流的上升沿过零点时间。
4.按照权利要求1所述的无线充电系统负载和互感估计方法，其特征在于：所述的步骤C中获取副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载(207)的函数关系的方法为：利用MATLAB对所述的无线充电系统在不同的负载(207)情形下进行仿真，并保存负载(207)值及其所对应的副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部、虚部值；利用二次函数分别对所保存的负载(207)值和副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部值和虚部值进行拟合，获取副边补偿电路(205)的等效输入复阻抗的实部、虚部与负载(207)的函数关系。
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