CN108808878A - 一种用于确定互感系数的快速方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于确定互感系数的快速方法，包括以下步骤：在不同条件下激励所述无线充电系统的发射器线圈并测量响应以提供足够的等效电路系统方程至少与系统方程中未知量的数目相匹配，从而可以在知道输入电压和输入电流的情况下计算至少包括互感项和负载阻抗或负载功率的未知数的发射器线圈，但没有来自接收器线圈的反馈；求解系统方程；和基于求解的系统方程优化无线充电系统。

Description

一种用于确定互感系数的快速方法
技术领域
本发明涉及本发明一般地涉及一种快速识别无线充电系统中的发射机和接 收机线圈的线圈不对中和相互耦合的方法，特别涉及一种用于确定互感系数的 快速方法。
背景技术
虽然无线电力是由尼古拉特斯拉一个世纪前开创的，它已经获得了商业应 用的广泛关注，只是在过去的二十年。这其中的一个原因是电力电子设备的新 兴可用性，它提供了一种技术手段，以高频切换的方式高速处理电力，从而作 为无线电力传输的使能技术。通常，无线功率传输系统由至少一个发射器模块 (包括发射器电路和发射器线圈)和至少一个接收器模块(包括接收器线圈和 接收器电路)组成。特斯拉在他的研究中指出，使用磁耦合共振可以达到最佳 的效率。这一磁共振概念，起源于特斯拉，已被John Boys教授在他的感应功 率转移研究中用于移动机器人(自1990以来)和Ron Hui教授在其便携式无线电子产品的平面无线充电平台中(自2000以来)。由无线电力联盟发起的世界 上第一个无线功率标准“齐”，将近场磁耦合和谐振电路结合到一系列产品的 无线充电的基本技术中。在最近的研究中，一个主要的主题是关于发射器线圈 和接收器线圈之间的错位。这个问题与电动汽车的无线充电特别相关，尽管必 须强调的是，这个问题与许多其他无线充电应用相关。对于便携式电子设备， 如移动电话，QI标准采用由Ron Hui教授提出的多层线圈阵列结构，使得目标 设备(具有嵌入的接收线圈)可以放置在充电表面上的任何地方。这种特性被 称为“自由定位”，但对于电动车辆，发射器线圈通常放置在地板下，而接收 器线圈位于车辆内部。由于不容易将车辆停放在准确的位置，所以发射器和接 收器线圈之间的错位已成为一个具有挑战性的问题。当其中一个线圈在地底下 时，驾驶员很难直观地对准两个线圈。有些情况下的对齐也受到停车位置的限 制。一些研究人员已经建议使用无线通信系统从接收机电路向发射机电路提供 反馈信息，以便优化对准，从而控制。这种解决方案在ONAR等中报道，“橡树 岭国家实验室无线电力传输发展为可持续校园倡议”，2013IEEE交通电气化 会议和博览会(ITEC)，2013，pp.1-8和N.Y.Kim等，“自适应频率与功率 电平跟踪”。用于高效磁共振无线功率传输的电子系统，“电子”。莱特，第 48卷，第8期，第42-45页，2012年4月12日。然而，附加的无线通信模块 增加了系统的成本和整体复杂度。
本发明者先前开创了一种技术，该技术可以监测接收机电路的输出条件， 而不使用任何无线或有线通信电路来将输出信息反馈到发射机侧的控制器上。 该技术在S.Y.R.Re、D.Lin、J.Yin和C.K.Lee中公开，“在无线电力传输 系统中用于参数识别、负载监测和输出功率控制的方法”、2013年8月6日提 交的美国临时专利申请61/862627(“627申请”)和PCT。专利申请PCT/CN2014 /083775于2014年8月6日提交(“回775PCT申请”)，其申请全部以引 用方式并入本文。在回族775PCT应用中，提出了一种用于(1)识别系统参数 的方法，(2)监测负载条件，和(3)基于在发射器电路中使用输入电压和输 入电流来产生输出控制。回族775PCT应用的方法不使用接收机电路的直接测 量或接收机侧的负载。这项技术包括2个主要过程。第一个过程使用智能或进 化算法，如遗传算法或群粒子算法或它们的变体，以确定系统参数。在完成第 一个过程并识别出参数之后，可以开发出系统模型。在第二过程中，可以重新 排列从第一过程(除了负载阻抗)获得的已知系统参数的系统矩阵方程，并利 用输入电压和输入电流的一次测量来计算负载阻抗。因此，可以计算所有需要 的信息，例如负载功率、输出电压和接收器电路的输出功率等。
技术方案
本发明主要解决的技术问题是提供一种用于确定互感系数的快速方法，其 特征在于：所述互感系数表示无线功率充电系统中的至少一个发射器线圈与磁 耦合的接收器线圈之间的未对准和距离，所述无线功率充电系统具有接收输入 电压和电流的发射器，以及具有接收器线圈的接收器，所述接收器线圈从所述 电磁场接收电力并且使用所述接收器线圈对负载电池充电，所述方法包括以下 步骤：在不同条件下激励所述无线充电系统的发射器线圈并测量响应以提供足 够的等效电路系统方程至少与系统方程中未知量的数目相匹配，从而可以在知 道输入电压和输入电流的情况下计算至少包括互感项和负载阻抗或负载功率的 未知数的发射器线圈，但没有来自接收器线圈的反馈；求解系统方程；和基于 求解的系统方程优化无线充电系统。
可选的，其中发射器线圈的激励在发射器线圈和接收器线圈的调谐谐振的 谐振频率附近的多个频率，用于在谐振频率附近或附近工作以产生最佳或接近 最优的能量效率。
可选的，其中无线功率充电系统还包括在发射器线圈和接收器线圈之间的 至少一个中继线圈，所述中继线圈接收来自发射器线圈的电磁场并将其发送到 接收器线圈。
可选的，其中发射器线圈的激励在发射器线圈、中继线圈和接收器线圈的 调谐谐振的谐振频率附近的多个频率，用于在谐振频率附近或在谐振频率附近 工作以产生最佳或接近最优的能量效率。
可选的，其中频率的最小数目等于或大于未知数的数目，并且未知数至少 包括线圈和负载功率或负载阻抗之间的互感项。
可选的，其中频率的数目大于方程数与未知数匹配所需的最小数目，并且 进一步包括使用最小二乘算法来实现参数的良好精度的步骤。
本发明的有益效果是：
提供一种用于确定互感系数的快速方法，当方程的数目等于或大于未知参 数的数目时，方程可以在数学上求解未知参数。如果对电动车辆(EV)需要恒 定功率，则无线功率传输(WPT)系统可以使用不同的电压幅度而不是不同的激 励频率来产生所需的方程数。一旦系统参数被识别，WPT系统可以选择正确的 工作频率和输入电压/电流，以使用回族775PCT应用中公开的相同方法来运行 其最佳效率。
实施例
下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更 易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界 定。
有许多关于电动汽车的无线充电的出版物。例如：J.G.Hayes等人，“提 供SAE J-1703电动车感应充电接口的宽负载范围谐振转换器”，工业应用，IEEE 交易，第35卷，第84-895页，1999页；W.Chwei Sen等，“非接触电动汽车 的设计考虑”E电池充电器”，工业电子学，IEEE交易，第52卷，第1308至 1314页，2005；和U.K.Madawala等，“在V2G系统中的电动车辆的双向感 应电源接口”，工业电子学，IEEE交易，第58卷，pp.47894796，2011。在 这些报告中，发射机和接收机的所有参数都必须是已知的。这些参数包括发送 器线圈和接收器线圈的自感和电阻、所有相互耦合线圈之间的互感、发射器电 路和接收器电路中连接的电容以及等效负载阻抗。基于这些参数，可以利用电 路理论来计算系统的功率、效率，并且可以根据电池的类型和电池的状况来决 定充电策略。对于EV电池充电，充电过程通常包括两个主要阶段：即(i)恒 定电流(CC)充电阶段和(ii)恒定电压(CV)充电阶段。
对于电动汽车(EV)充电系统，电动汽车无线充电器首先确定的是电池的 充电状态(SOC)，以便选择CC模式或CV模式来正确地对电池充电。为了确保 电池始终处于正确的模式，假设无线充电系统在接收器侧具有充电控制器，该 控制器可以将接收的AC功率转换成DC功率，并且还可以根据电池充电曲线对 电池充电。控制器能够自动调整其输入阻抗，以吸收来自接收器的正确功率并 将电荷传递给电池。
在接收机侧的充电控制器的帮助下，无线充电系统需要做的是预测电池所 需的功率并改变其工作条件(例如，调整其工作频率和输入电压/输入电流在发 射器电路中)。E无线功率以最有效和最佳的方式转移到负载(如电池)。J.Yin 等人在文章中描述了“无需任何直接输出测量的无线电力传输系统中的负载监 测和功率控制的系统方法”，IEEEPosion OngEngic，第30卷，第1657—1667 页，2015(“Yun 2015文章”)。本文完整地叙述了这一点。为了保证无线充 电系统总是在最佳模式下运行，需要知道整个系统的所有参数。最困难的参数 是与(1)线圈不对中有关的互感(s)和(2)发射线圈和接收器线圈之间的距离。这尤其适用于无线电动汽车充电，因为不容易每次将车辆停放在精确的位 置。发射机线圈和接收器线圈之间的对准必须有一定的公差。此外，发射器线 圈和接收器线圈之间的距离也可以从一种类型的车辆到另一种类型。4轮驱动 的车辆可能在发送器线圈和接收器线圈之间有很大的距离，而小型车可能具有 较小的距离。由于(1)线圈未对准和(2)线圈距离的不确定性仅与相互耦合 线圈的互感值有关，并且与线圈谐振器中的电容无关，因此本发明着重于估计 这些互感器T的方法。埃尔姆斯以快速的方式。假设是自感项和谐振电容项是 已知的(无论是从回族775PCT应用的方法还是从制造商获得)。一旦确定了 特定的设置，就不需要再次确定它们。只有互感项和负载阻抗项是未知的，必 须确定。互感项的确定是基于仅在发射机电路上获得的信息(如输入电压、输 入电流和输入电压和电流波形之间的相位角)而不使用接收机电路上的任何直 接测量。这一重要特征消除了发射机和接收机电路之间的无线通信系统的需要。 对于EV充电的应用，不需要知道发射器线圈和接收器线圈之间的确切位置或相 对位置，因为这样的信息在电路模型中表示为互感。
以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限 制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于确定互感系数的快速方法，其特征在于：所述互感系数表示无线功率充电系统中的至少一个发射器线圈与磁耦合的接收器线圈之间的未对准和距离，所述无线功率充电系统具有接收输入电压和电流的发射器，以及具有接收器线圈的接收器，所述接收器线圈从所述电磁场接收电力并且使用所述接收器线圈对负载电池充电，所述方法包括以下步骤：在不同条件下激励所述无线充电系统的发射器线圈并测量响应以提供足够的等效电路系统方程至少与系统方程中未知量的数目相匹配，从而可以在知道输入电压和输入电流的情况下计算至少包括互感项和负载阻抗或负载功率的未知数的发射器线圈，但没有来自接收器线圈的反馈；求解系统方程；和基于求解的系统方程优化无线充电系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于确定互感系数的快速方法，其特征在于：其中发射器线圈的激励在发射器线圈和接收器线圈的调谐谐振的谐振频率附近的多个频率，用于在谐振频率附近或附近工作以产生最佳或接近最优的能量效率。
3.根据权利要求1所述的一种用于确定互感系数的快速方法，其特征在于：其中无线功率充电系统还包括在发射器线圈和接收器线圈之间的至少一个中继线圈，所述中继线圈接收来自发射器线圈的电磁场并将其发送到接收器线圈。
4.根据权利要求1所述的一种用于确定互感系数的快速方法，其特征在于：其中发射器线圈的激励在发射器线圈、中继线圈和接收器线圈的调谐谐振的谐振频率附近的多个频率，用于在谐振频率附近或在谐振频率附近工作以产生最佳或接近最优的能量效率。
5.根据权利要求1所述的一种用于确定互感系数的快速方法，其特征在于：其中频率的最小数目等于或大于未知数的数目，并且未知数至少包括线圈和负载功率或负载阻抗之间的互感项。
6.根据权利要求5所述的一种用于确定互感系数的快速方法，其特征在于：其中频率的数目大于方程数与未知数匹配所需的最小数目，并且进一步包括使用最小二乘算法来实现参数的良好精度的步骤。
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