CN108879869B - 基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统，在原边采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，得到原边阻抗Zp；在直流电压源与逆变器之间设置DC‑DC变换器，并结合原边阻抗Zp和预设参考曲线Zpref控制DC‑DC变换器的占空比，从而完成对系统传输能量的控制。其效果是：在不需要原副边通信和增加额外硬件电路的情况下，仅通过对原边逆变输出电流和电压的检测以及逆变输入电压的控制便可实现对副边输出电压、电流的控制，使得无线电能传输控制变得易实现、成本低、体积小及易于广泛推广。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术和电源转换技术，具体涉及一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统。
背景技术
随着科技的进步，电子装置的种类已经日益增加，同时电子装置对于电力的需求也逐步上升，使得人们对移动电源的需求日益增加。在多种设备，多种场合情况下的电力传输需求量大面广，仅仅从硬件适配上来满足现有电子设备的电力传输要求已经远远不够，进行普适性的配置显然更不可能，于是无线电能传输技术得以广泛应用。
感应耦合无线电能传输技术(ICPT)借助于高频磁场构建供电设备与用电设备之间的能量传输通道，实现能量以非接触形式传输，克服了传统接触式供电方式在恶劣环境(如高湿、高温、高腐蚀、易爆燃环境)下应用的弊端，具有高可靠性、高安全性、低维护性等特点。目前已被广泛应用于电动汽车、水下机器人等领域。
在ICPT系统应用中，通常要对输出电压或输出电流进行控制以满足不同的负载需求。目前，ICPT系统常用的控制方法主要包括：原边直接控制、原副边协同控制以及原边间接控制。
原边直接控制方法即通过在副边实时检测输出电压、电流信息，然后将检测信息通过无线通信的方式发送到原边，原边控制器根据接收到的电压、电流信息进行相应的控制以达到对输出量的直接控制。ICPT系统中常用的无线通信方式有射频、蓝牙、Zigbee、能量信号同步传输等。这种方法由于直接对输出量进行检测和控制，因此能够实现较精确的控制，但该方法也存在一些问题：一方面，采用无线通信进行信息传输会带来反馈信息的传输延时，影响系统的控制速度甚至安全性能；另一方面，系统工作时电磁环境复杂，导致无线通信误码率高、波特率低等问题。
原副边协同控制方法即在副边增加控制模块，副边控制模块通过采集输出电压、电流信息进而对输出量进行控制，原边控制器根据输出要求进行功率控制。有研究提出了一种通过在副边额外加入可控保护电路以对输出电压、电流进行限幅，同时在原边进行功率控制而实现副边输出恒压、恒流控制的方案。该方法具有控制速度快、控制精度高等优点。但是为实现恒压恒流控制，增加了可控保护电路，增加了系统的体积和成本。也有研究提出了一种在副边增加动态调谐电路，通过改变副边谐振程度以实现对输出功率的控制。这种方法可以使系统工作频率和固有谐振频率一致，动态性能很好，但是大大增加了系统的控制复杂度。还有研究提出了一种通过在原副边都增设DC-DC变换器对输入、输出功率分别进行控制以实现最大效率跟踪的方法。
原边间接控制方法即检测与控制都在原边进行，通过检测原边逆变电压、电流量，换算为副边输出量从而进行间接控制。有研究提出了一种原边控制方案，通过采集原边补偿电容电压与逆变电流，然后进行信号处理得到二者相位差，计算得到副边对应的输出信息，然后与设定值比较而得出误差信息，根据所得误差信息来给出相应的控制手段。该方案有效解决了原副边通信的问题，但是需要计算得到电压、电流相位差信息，加大了程序处理的复杂度。
综合来看，基于现有技术水平，对无线电能传输系统进行控制具有一定的难度，现有技术存在着成本高、控制复杂、不易于实现等等问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提出了一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，并使用该方法针对可无线充放电锂电池设计出了一种相应的系统。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其关键在于按照以下步骤进行：
S1：在原边电路的逆变器输出端上设置电压电流检测模块，并实时采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，从而得到原边阻抗Zp；
S2：在直流电压源与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，通过控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比调节输出电压；
S3：判断充电是否完成，如果已完成，则控制结束，否则进入步骤S4；
S4：判断原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间是否存在偏差；如果是，则调整占空比，返回步骤S1循环进行；如果不存在偏差，则保持当前占空比，返回步骤S1循环进行。
可选地，步骤S4中，基于原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间的偏差，采用PI调节控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比。
可选地，根据原边阻抗Zp的变化速率判断充电是否完成。
可选地，在发射线圈上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。
一种用于实现上述方法的系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路中设置有直流电源Edc、逆变器以及原边谐振回路，所述副边电路中包括副边谐振回路、整流电路以及负载模块，其关键在于：在直流电源Edc与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，在逆变器输出端上设置电压电流检测模块，所述电压电流检测模块输出端连接在负载辨识模块的输入端上，所述负载辨识模块根据逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip 得到原边阻抗Zp，所述负载辨识模块的输出端与分段控制模块相连，所述分段控制模块根据负载辨识模块所得原边阻抗Zp和预设的不同时段的原边等效阻抗参考曲线Zpref控制所述BUCK电路中开关管驱动信号的占空比。
可选地，所述原边谐振回路是由补偿电容Cp和发射线圈Lp构成的串联谐振回路。
可选地，在所述发射线圈Lp上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。
可选地，在所述副边电路整流电路和负载模块之间连接有防电流反向二极管D2。
本发明的显著效果是：
无线电能传输系统通过采用此控制方法，在不需要原副边通信和增加额外硬件电路的情况下，仅通过对原边逆变输出电流和电压的检测以及逆变输入电压的控制便可实现对副边输出电压、电流的控制，使得无线电能传输控制变得易实现、成本低、体积小及易于广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为SS型锂离子电池无线充电系统结构框图；
图2为电池充电特性曲线图；
图3为副边等效电路图；
图4为简化后的副边等效电路；
图5为原边等效电路图；
图6为原副边等效电路图；
图7为原副边阻抗及电池电量关系图；
图8为控制思想流程图；
图9为原边直接控制下的电池充电特性曲线；
图10等效负载及原边阻抗曲线；
图11为闭环控制效果图；
图12为原边阻抗控制方案下的电池特性曲线；
图13为原边恒阻控制下的电池特性曲线；
图14为原边阻抗控制下的实验波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例以锂离子电池无线充电系统为例做详细说明，其电路拓扑如图1 所示，包括原边电路和副边电路，原边电路中设置有直流电源Edc、逆变器以及原边谐振回路，副边电路中包括副边谐振回路、整流电路以及负载模块，在直流电源Edc与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用 BUCK电路，在逆变器输出端上设置电压电流检测模块，电压电流检测模块输出端连接在负载辨识模块的输入端上，负载辨识模块的输出端与分段控制模块相连，分段控制模块根据负载辨识模块所得原边阻抗Zp和预设的不同时段的原边等效阻抗参考曲线Zpref控制所述BUCK电路中开关管驱动信号的占空比。
图中所示Lp，Ls分别是发射线圈和接收线圈，Cp，Cs为其相应的补偿电容，Rp，Rs为其相应的等效串联电阻，M为其互感。Edc通过DC-DC变换器进行电压调节，经开关网络S1～S4逆变为方波电压，驱动原边谐振网络在能量发射线圈Lp上产生交变电流，激发高频磁场。副边接收线圈拾取到的能量经补偿、整流及滤波后对电池进行充电，二极管D2用于防止电流倒灌。这里为了便于分析，将电池模型等效为阻抗负载Req。
在充电过程中，为提高系统的传输效率，在所述发射线圈Lp上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。同时，通过采集逆变输出电压、电流对输出端的负载特性进行辨识，将辨识结果与参考值作比较得到误差信号进而作出相应的控制，实现输出端锂离子电池的恒流及恒压充电。故充电过程主要有两个阶段，即恒流阶段和恒压阶段。电池等效阻抗计算公式：
其中，UO为充电电压，IO为充电电流。其充电过程及阻抗特性曲线如图 2所示，可以看出，在整个充电过程中，电池的等效阻抗呈逐渐增大的趋势，恒流阶段由于电压上升较慢，阻抗增加的趋势较为平缓，而恒压阶段由于电流下降较快，阻抗增加的趋势则较为陡峭。
对图1所示的系统拓扑，其副边等效电路如图3所示。图中，副边接收线圈的感应电压为jωMIp,IP为原边逆变输出电流。在参数设计时，为使系统工作在谐振状态，谐振角频率设计为ω2＝LSCS，因此副边可进一步简化为如图4所示的电路。
如图4所示，根据能量守恒定律，整流桥与电池负载总的等效阻抗为：
副边的总阻抗为
ZS＝RS+Req' (3)
反射到原边的阻抗为：
因此，得到原边的等效电路如图5所示：在谐振状态下，原边总阻抗可以表示为：
由式(5)可知，等效负载Req'与原边阻抗ZP一一对应。DC-DC变换器采用了 BUCK电路，因此原边直流输入与逆变后输出存在以下关系：
其中，D为BUCK电路占空比，UP为逆变输出电压。通过对原副边的分析，可以把整个系统进行简化，简化后的电路如图6所示。
如图6所示，通过计算，可以得到原边电流为：
副边的拾取电压为：
如图4所示，副边拾取电压经整流后的平均值UO为：
由式(6)～(9)可得，副边的输出电压为：
副边输出电流为：
再联系式(5)，可得原边阻抗与副边输出量的关系为：
在一个特定的系统中，ω、M、RP、RS均为已知量，根据式(7)可知，只要在原边测得逆变输出电压UP以及逆变电流IP，就可以得到原边阻抗ZP与一个对应的等效阻抗Req'，再根据式(12)、(13)就可得到副边输出电压和输出电流。将式(12)、(13)进行变形可得：
由式(5)可知，原边阻抗与副边阻抗存在一一对应关系。随着充电过程的进行，电池等效阻抗、原边阻抗与电池电量(SOC)三者之间的对应关系如图7 所示。为了便于分析，图中将锂离子电池的固有阻抗特性曲线表示为Reqref，同理，对应的原边等效阻抗为Zpref。
在充电过程中，需要控制的量是副边的输出电压UO与输出电流IO，根据式(1)及图7，这两个变量可以用电池的等效阻抗来表示。由于图7是以图2为基础，结合以上相关公式推导所得，所以当控制Zp为Zpref时便可知当前的充电电压、电流与图2中同一时刻下的电压、电流一致。也就是说，在整个充电过程中，通过控制Zp跟随Zpref曲线即可达到恒流恒压的控制效果。
在锂离子电池的充电过程中，首先是恒流充电阶段，该阶段在整个充电过程中占绝大部分比例。在恒流充电阶段，电池充电电压缓慢上升。而在每个控制周期内，电池充电电压近似是不变的，根据式(7)、(12)，可以计算得到当前的充电电压，再根据式(14)，通过调整BUCK输出电压即可调整Zp使其跟随 Zpref曲线。
通过检测UP和IP，可以得到原边阻抗值，如果与当前原边阻抗参考值Zpref 一致，就保持当前的控制，如果检测到原边阻抗值出现在A点，即大于Zpref，这时根据对应关系：
由于在某一时刻点UO是近似恒定的，所以
是由于IO偏大导致的，根据式(13)可知，需要减小Ubuck，在输入电压不变的情况下，减小BUCK 电路占空比，直到A点回到原边阻抗曲线上。同理，当检测到原边阻抗值出现在B点，通过分析需要增加BUCK电路占空比。
在恒压充电阶段，电池的等效阻抗会因充电电流下降而快速上升，原边阻抗会继续减小。同样，通过检测UP和IP，可以得到原边阻抗值，如果与原边阻抗参考值一致，就保持当前的占空比不变，如果检测到原边阻抗值出现在 C点，即大于阻抗参考值，根据式(9)、(16)可知，应该减小BUCK电路占空比。同理，在D点时需要增加占空比。整个充电过程的控制思想流程如图8所示。
具体可以归纳为以下步骤：
S1：在原边电路的逆变器输出端上设置电压电流检测模块，并实时采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，从而得到原边阻抗Zp；
S2：在直流电压源与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，通过控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比调节输出电压；
S3：判断充电是否完成，如果已完成，则控制结束，否则进入步骤S4；
S4：判断原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间是否存在偏差；如果是，则调整占空比，返回步骤S1循环进行；如果不存在偏差，则保持当前占空比，返回步骤S1循环进行。
在实际应用中，由于每次充电时电池的起始电量不同，所对应的电池等效阻抗及原边阻抗也会不同，即阻抗参考曲线的起始点是不确定的。如果原副边存在通信，就可以将电池相关信息通过通信的方式发送到原边以作参考。在没有通信环节的条件下，根据原边阻抗控制的基本思想，针对该问题，本发明提出一种简化的方法：恒阻控制。单节锂离子电池在整个充电阶段，电池电压最大变化范围为2.75V～4.2V，而对于电动汽车等大功率用电设备，其正常工作电压范围为3.1V～4.1V。为了保证电池使用寿命，在恒流充电阶段，其电压最大变化范围为3.5V～4.1V，即电压变化很小，再根据式(1)可知，在恒流阶段，电池的等效阻抗变化也很小。因此，在恒流充电阶段在原边进行恒阻抗控制，也能得到近似的效果，并且由于控制阻抗恒定，也就解决了电池起始电量不同的问题。
综上所述，本发明提出了一种基于负载特性辨识的原边控制方法，实现了对副边输出量的精确控制。针对SS补偿型离子无线充电系统，基于电池负载特性曲线，根据交流阻抗模型，得出电池负载特性曲线反射到原边的对应阻抗变化曲线，通过控制原边逆变输入电压，进而实现对整个充电过程的控制。
为了验证基于原边阻抗控制方案的有效性，在本发明中，采用 MATLAB/Simulink仿真平台对整个充电过程进行仿真。首先通过传统的原边直接控制方案得到电池的充电特性曲线，并且通过原副边阻抗的对应关系，得到该控制方案下的原边阻抗变化曲线。最后，以该原边阻抗曲线为参考，通过实时采集原边的电压UP与电流IP，并折算为阻抗，与之前得到的原边阻抗曲线作比较，其误差作为控制依据，得到原边阻抗控制方案下的电池的充电特性曲线。
设置好仿真参数，在原边直接控制方案下，得到的仿真波形如图9所示。
从图9可以看出，在恒流阶段，副边输出8A的电流对电池进行充电，这个阶段电池电压缓慢上升，一直到250V进入恒压模式。从电池电量SOC可以看出，在恒流阶段，电池电量已经达到80％左右。在恒压阶段，电流迅速下降，电池很快充满。同样，电池的等效阻抗变化曲线以及反射到原边的阻抗曲线如图10所示。从图10可知，在恒流阶段，电池等效阻抗略微增加，几乎保持不变，原边阻抗略微减小。但在恒压阶段，电池等效阻抗变化较大，迅速增加，原边阻抗迅速减小。
由于每一个阻抗值都唯一对应一个电池的充电状态，所以只要控制原边阻抗按照如图10所示的原边阻抗曲线变化，就能达到与原边直接控制方案同样的效果。在原边阻抗控制方案中，以上述所得原边阻抗曲线为参考，实时采集原边电压电流，计算得到原边阻抗，然后与参考阻抗曲线作比较，得到误差值，然后根据其误差来控制BUCK电路的占空比，其控制效果如图11所示。
由图11可知，以Zp曲线为参考，实时采集原边阻抗曲线Zpfeedback，通过PI控制，使二者的误差值Zperror趋近为零，最后得到闭环控制下的输出电压曲线Uocontrol与原边直接控制的输出电压曲线Uo基本重合。在闭环控制下的电池充电特性曲线如图12所示。由图12可以看出，在恒流阶段充电电流保持不变并且电压略微增加。在恒压阶段电压不变，电流迅速减小。也就是说，通过对原边阻抗进行控制，得到的电池特性曲线与原边直接控制下的电池特性曲线是一致的，因此可以证明通过控制原边阻抗的方案是可行的。
为了对不同状态的电池进行充电，在恒流阶段，对原边阻抗进行恒阻控制，即将参考阻抗设为一恒定值，得到电池特性曲线如图13所示。从图13可知，一条波形为以阻抗曲线为参考下控制所得，另一条波形为恒阻控制所得，二者基本重合。在恒流充电阶段，电池电压缓慢增加，由于控制原边阻抗恒定，因此充电电流也会有微小的涨幅，充电速度也会有所增加。通过对比，采用恒阻控制与根据阻抗参考曲线控制所得的结果基本一致，因此在恒流阶段采用恒阻控制可以有效解决电池充电起始点不同的问题。
依据图1所示的系统控制结构图搭建无线充电实验平台，电能传输电路的相关参数如表1所示。通过实验方式验证原边阻抗控制方法的有效性。
表1系统相关参数表
实验系统控制模块由一块ARM以及一块FPGA芯片组成。在充电过程中， ARM芯片主要用于信号采集和处理。在充电初始阶段采集原边逆变电压、电流信息，并转换为阻抗信息，以该阻抗值作为参考，将实时采集的原边阻抗信息与该参考值作比较，所得的误差信息发送给FPGA芯片，根据该误差调整驱动信号。当电池电压达到限值，进行恒压控制，控制充电电压保持恒定，直到充电结束。通过控制原边阻抗来对锂离子电池进行充电，得到的实验数据如表 2所示。
表2实验实测数据表
从表2可以看出，通过控制原边阻抗，可以完成恒流充电和恒压充电的控制，但由于在试验中，系统各结构参数的非理想性，以及读数带来的误差等，所以个别数据与理论不符，但总体趋势是与理论相符的。将实验数据绘制成曲线图如图14所示。从图14可以看出，电池充电特性曲线与通过原边直接控制下的充电特性曲线保持一致。也就是说，在实验条件下，通过对原边阻抗的控制，能够达到与原边直接控制同样的效果，通过实验验证，基于原边阻抗控制的方案是有效的。
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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (7)
1.一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：
S1：在原边电路的逆变器输出端上设置电压电流检测模块，并实时采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，从而得到原边阻抗Zp；
S2：在直流电压源与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，通过控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比调节输出电压；
S3：根据原边阻抗Zp的变化速率判断充电是否完成，如果已完成，则控制结束，否则进入步骤S4；
S4：判断原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间是否存在偏差；如果是，则调整占空比，返回步骤S1循环进行；如果不存在偏差，则保持当前占空比，返回步骤S1循环进行；
所述原边等效阻抗参考曲线Zpref包括恒流充电阶段和恒压充电阶段。
2.根据权利要求1所述的基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于：步骤S4中，基于原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间的偏差，采用PI调节控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比。
3.根据权利要求1所述的基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于：在发射线圈上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。
4.一种用于实现权利要求1所述方法的系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路中设置有直流电源Edc、逆变器以及原边谐振回路，所述副边电路中包括副边谐振回路、整流电路以及负载模块，其特征在于：在直流电源Edc与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，在逆变器输出端上设置电压电流检测模块，所述电压电流检测模块输出端连接在负载辨识模块的输入端上，所述负载辨识模块根据逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip得到原边阻抗Zp，所述负载辨识模块的输出端与分段控制模块相连，所述分段控制模块根据负载辨识模块所得原边阻抗Zp和预设的不同时段的原边等效阻抗参考曲线Zpref控制所述BUCK电路中开关管驱动信号的占空比。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述原边谐振回路是由补偿电容Cp和发射线圈Lp构成的串联谐振回路。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：在所述发射线圈Lp上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：在副边电路的整流电路和负载模块之间连接有防电流反向二极管D2。
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