CN108879992B - 一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，包括以下步骤：针对谐振式无线充电系统典型结构，根据等效电路图，建立谐振电路一次侧电流有效值方程；根据电流有效值方程，建立使谐振电路一次侧电流达到有效值峰值的输入信号的频率约束方程；检测谐振电路一次侧电流实时波形，获取两个特征量，分别为一次侧电流的稳态有效值和可使电流有效值达到峰值的输入信号频率；通过系统辨识方法，对电流有效值方程和频率约束方程中的未知量即谐振电路一次侧电容和电感进行参数辨识，以获得电容与电感值。本发明与现有技术相比，需检测量少，辨识精度高，对无线充电系统故障诊断预警、频率跟踪、阻抗匹配有参考意义。

Description

一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识 方法

技术领域

本发明涉及电动汽车以及无线充电技术领域，特别是涉及一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法。

背景技术

随着社会的不断进步，世界汽车工业得到飞速发展，然而，传统燃油汽车存在石油消耗量大、尾气排放污染严重等问题，这给世界能源与环境带来了不小的压力。电动汽车作为一种新能源汽车，以电能为动力，靠电机驱动行驶，相比燃油汽车，电动汽车运行过程中更加节能环保，所以电动汽车也被世界各国大力推广。

电动汽车有接触式充电与非接触充电两种方式，接触式充电方式技术成熟，但是由于接触式充电的充电机多暴露在户外环境中，长时间工作故障率会显著提升，这使得充电过程存在诸多安全隐患，且充电机多需要占据较大的空间，这使得安装成本也相应的增加。相比之下，非接触的无线充电方式充电过程更加安全，并且充电线圈全部埋于地下，不占用地上空间，这些优势使得电动汽车无线充电受到越来越多的关注。

当电动汽车开至特定位置时，埋于地下的充电线圈与排布在车底盘的线圈形成一个完整的无线充电系统，系统的相关参数经过提前设计，在无线充电系统一次侧输入特定频率的信号时，整个无线充电系统达到谐振状态，此时一次侧电流有效值达到最大值，充电功率与充电效率也较高。但是，由于无线充电系统的谐振电路的一次侧线圈埋于地下，长期受到各种应力的共同作用，其线圈电感和补偿电容参数会不可避免的发生漂移，此时无线充电系统偏离谐振状态，当参数改变达到一定程度时，无功功率消耗增加，充电效率将无法达到充电要求，所以及时获取无线充电系统谐振电路一次侧线圈电感和补偿电容值对于保证系统高效工作是十分有参考价值的。现实情况下，线圈电感和补偿电容本身难以直接测量，所以通过尽量少的检测信息，准确快速的在线辨识现场环境下谐振电路线圈电感和补偿电容值是亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种需检测量少、辨识精度高、且实现方法简单的谐振式无线充电系统谐振电路一次侧线圈电感与补偿电容辨识方法，以此为无线充电系统故障诊断、频率跟踪、阻抗匹配提供参考。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，包括以下步骤：

步骤1、针对谐振式无线充电系统典型结构，根据无线充电系统等效电路图，建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程；

步骤2、根据步骤1中的谐振电路一次侧电流有效值方程，建立可使谐振电路一次侧电流达到有效值峰值的输入信号的频率约束方程；

步骤3、通过检测谐振电路一次侧的实时电流，得到其实时波形，进一步获取两个辨识过程中所需的特征量：通过电流波形稳态分析得到电流的稳态有效值；对系统启动瞬态波形进行傅里叶变换，得到可使谐振电路一次侧电流有效值达到峰值的输入信号频率。

步骤4、对一次侧电流有效值方程以及输入信号频率约束方程中的未知量即谐振电路一次侧电容和电感参数进行参数辨识，得到谐振电路一次侧电容和电感实际值。

所述的步骤1具体包含以下步骤：

步骤1.1、针对谐振式无线充电系统典型结构，根据谐振式无线充电系统等效电路图，列写回路电流方程：

其中，

为谐振电路一次侧电流，

为谐振电路二次侧电流，ω为谐振电路输入信号角频率，

为谐振电路输入电压，L₁为谐振电路一次侧线圈电感，L₂为二次侧线圈电感，C₁为谐振电路一次侧补偿电容，C₂为二次侧补偿电容，M为谐振电路一次侧与二次侧的互感，

k为耦合因数，R₁为谐振电路一次侧等效内阻，R₂为二次侧等效内阻，R_S为充电负载等效电阻。

步骤1.2、根据步骤1.1中的回路电流方程，消去中间变量二次侧回路电流

则谐振电路一次侧输入电压与回路电流关系方程为：

Z₀为将谐振电路二次侧阻抗和互感抗通过互感反映到一次侧后一次侧等效总阻抗。

步骤1.3、根据步骤1.2中一次侧输入电压与回路电流关系方程式，将一次侧等效总阻抗化为Z₀＝R₀+jX₀的形式，则可建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧等效总电阻方程以及等效总电抗方程为：

R₀、X₀分别为二次侧阻抗反映至一次侧后一次侧等效总电阻和等效总电抗。

步骤1.4、根据步骤1.3，建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程为：

U为谐振电路输入电压有效值，I₁为谐振电路一次侧电流有效值。

所述的步骤2具体包含以下步骤：

步骤2.1、根据步骤1.4，谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程对于输入信号角频率ω连续可导，求关于系统输入信号角频率ω的偏导数，得：

其中

a₄′＝(R₂+R_S)²+a₅′²

步骤2.2、根据步骤2.1，当一次侧电流有效值取得峰值时偏导为0，建立使谐振电路一次侧电流达到有效值峰值的输入信号的频率约束方程为：

a₄＝(R₂+R_S)²+a₅ ²

即当谐振电路一次侧电流取得电流峰值时，此约束方程成立，此时无线充电系统谐振电路输入信号的频率应为f₀，输入信号的角频率为ω₀＝2πf₀。

所述的步骤3具体包含以下步骤：

步骤3.1、对一次侧电流实时波形进行稳态分析，提取电流稳态有效值I₁。

步骤3.2、截取系统启动时谐振电路一次侧电流瞬态波形，对瞬态波形进行傅里叶变换，傅里叶频谱中各次谐波分量幅值将出现一个或两个峰值，其中一个幅值峰值对应的谐波频率为谐振电路实际输入信号的频率，若存在另一个幅值峰值，则其所对应的谐波频率值即为可使系统一次侧电流有效值达到峰值的输入信号频率f₀，如此可得ω₀＝2πf₀。若此步骤中傅里叶频谱仅出现一个幅值峰值，则此时谐振电路的实际输入信号频率与频率f₀相等，即f₀＝f。

所述的步骤4具体包含以下步骤：

步骤4.1、对于步骤1中的电流有效值方程和步骤2中的频率约束方程，系统的互感耦合因数、谐振电路二次侧电容与电感以及谐振电路中等效电阻均为已知量，则两方程表示为如下形式：

代入步骤3获取的两特征量I₁和ω₀，那么两方程的未知量即待辨识参数仅为谐振电路一次侧电容和电感值。

步骤4.2、取目标函数为min Y(L₁,C₁)＝|G(ω₀,L₁,C₁)|+|H(L₁,C₁)-I₁|，通过优化算法找到使Y(L₁,C₁)最小的L₁、C₁值，从而实现L₁、C₁的参数辨识，则得到谐振电路一次侧电容和电感值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、方法简单，易于实现，需检测量少：仅需要检测谐振电路一侧电流波形即可实现参数辨识。

2、算法辨识精度高。

3、可实现在线辨识。

4、可为无线充电系统故障诊断、频率跟踪、阻抗匹配提供有价值的参考。

附图说明

图1为本发明实施流程图。

图2为串联-串联谐振式无线充电系统典型结构图。

图3为串联-串联谐振式无线充电系统等效电路图。

图4为实施例中谐振电路一次侧电流波形。

图5为实施例傅里叶变换频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明是一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，实施流程如图1，具体实施包括以下步骤：

步骤1、针对串联-串联谐振式无线充电系统典型结构，如图2所示，根据无线充电系统等效电路图，如图3所示，建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程，具体步骤为：

步骤1.1、根据串联-串联谐振式无线充电系统等效电路图，列写回路电流方程为：

其中，

为谐振电路一次侧电流，

为谐振电路二次侧电流，ω为谐振电路输入信号角频率，

为谐振电路输入电压，L₁为谐振电路一次侧线圈电感，L₂为二次侧线圈电感，C₁为谐振电路一次侧补偿电容，C₂为二次侧补偿电容，M为谐振电路一次侧与二次侧的互感，

k为耦合因数，R₁为谐振电路一次侧等效内阻，R₂为二次侧等效内阻，R_S为充电负载等效电阻。

步骤1.2、根据步骤1.1中的回路电流方程，消去中间变量二次侧回路电流

则谐振电路一次侧输入电压与回路电流关系方程为：

Z₀为将谐振电路二次侧阻抗和互感抗通过互感反映到一次侧后一次侧等效总阻抗。

步骤1.3、根据步骤1.2中一次侧输入电压与回路电流关系方程式，将一次侧等效总阻抗化为Z₀＝R₀+jX₀的形式，则可建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧等效总电阻方程以及等效总电抗方程为：

R₀、X₀分别为二次侧阻抗反映至一次侧后一次侧等效总电阻和等效总电抗。

步骤1.4、根据步骤1.3，建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程为：

U为谐振电路输入电压有效值，I₁为谐振电路一次侧电流有效值。

步骤2、根据步骤1中的谐振电路一次侧电流有效值方程，建立可使谐振电路一次侧电流达到有效值峰值的输入信号的频率约束方程，具体步骤为：

步骤2.1、根据步骤1.4，谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程对于输入信号角频率ω连续可导，求关于系统输入信号角频率ω的偏导数，得：

其中

a₄′＝(R₂+R_S)²+a₅′²

步骤2.2、根据步骤2.1，当一次侧电流有效值取得峰值时偏导为0，建立使谐振电路一次侧电流达到有效值峰值的输入信号的频率约束方程为：

a₄＝(R₂+R_S)²+a₅ ²

由于谐振电路等效阻抗随着输入信号频率的改变而改变，所以谐振电路一次侧电流有效值也随频率变化。对于不同的输入信号频率，当谐振电路一次侧电流取得电流峰值时，此约束方程成立，此时无线充电系统谐振电路输入信号的频率应为f₀，输入信号的角频率为ω₀＝2πf₀。

步骤3、通过检测谐振电路一次侧的实时电流，得到其实时波形，进一步获取两个辨识过程中所需的特征量：通过电流波形稳态分析得到电流的稳态有效值；对系统启动瞬态波形进行傅里叶变换，得到可使谐振电路一次侧电流有效值达到峰值的输入信号频率，具体步骤为：

步骤3.1、对一次侧电流实时波形进行稳态分析，提取电流稳态有效值I₁。实施例中谐振电路输入一个有效值为212V频率为85kHz的正弦交流信号，检测的电流波形如图4所示，电流有效值为I₁＝12.94A。

步骤3.2、截取系统启动时谐振电路一次侧电流瞬态波形，对瞬态波形进行傅里叶变换，傅里叶频谱中各次谐波分量幅值将出现一个或两个峰值，其中一个幅值峰值对应的谐波频率为谐振电路实际输入信号的频率，若存在另一个幅值峰值，则其所对应的谐波频率值即为可使系统一次侧电流有效值达到峰值的输入信号频率f₀，如此，步骤2.2中的ω₀＝2πf₀可知。若此步骤中傅里叶频谱仅出现一个幅值峰值，则此时谐振电路的实际输入信号频率与频率f₀相等，即f₀＝f。实施例中对电流瞬态波形进行傅里叶变换后频谱图如图5所示，基波频率取1000Hz，从图中可知，一个幅值峰值对应的谐波频率为85000Hz，此为实施例中的实际输入信号，而另一个幅值峰值对应的谐波频率即为f₀＝78000Hz，则ω₀也可计算得知。

步骤4、对一次侧电流有效值方程以及输入信号频率约束方程中的未知量即谐振电路一次侧电容和电感参数进行参数辨识，得到谐振电路一次侧电容和电感实际值。具体步骤为：

步骤4.1、对于步骤1中的电流有效值方程和步骤1中的频率约束方程，系统的互感耦合因数、谐振电路二次侧电容与电感以及谐振电路中等效电阻均为已知量，则两方程表示为如下形式：

代入步骤3获取的两辨识特征量I₁和ω₀，那么两方程的未知量即待辨识参数仅为谐振电路一次侧电容和电感值。

步骤4.2、取目标函数为min Y(L₁,C₁)＝|G(ω₀,L₁,C₁)|+|H(L₁,C₁)-I₁|，通过优化算法找到使Y(L₁,C₁)最小的L₁、C₁值，从而实现L₁、C₁的参数辨识，则得到谐振电路一次侧电容和电感值。对于实施例中给出的参数，理论值为L₁＝200*10^-6H,C₁＝200*10^-10F，本实施例采用粒子群算法得出的辨识结果为L₁＝201.096*10^-6H,C₁＝199.077*10^-10F，因此本方法可以准确的辨识谐振电路一次侧电容与电感值。

至此，从步骤1至步骤4完成了对于无线充电系统谐振电路电容和电感的参数辨识。

Claims (5)

1.一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，用以获取谐振式无线充电系统中谐振电路一次侧电容与电感的实际值，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对谐振式无线充电系统典型结构，根据无线充电系统等效电路图，建立谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程；

(2)根据步骤(1)中的谐振电路一次侧电流有效值方程，建立能够使谐振电路一次侧电流达到有效值峰值的输入信号的频率约束方程；

(3)通过检测谐振电路一次侧的实时电流，得到电流实时波形，进一步获取两个辨识过程中所需的特征量：通过电流波形稳态分析得到电流的稳态有效值；对系统启动瞬态波形进行傅里叶变换，得到能够使谐振电路一次侧电流有效值达到峰值的输入信号频率；

(4)对一次侧电流有效值方程以及输入信号频率约束方程中的未知量即谐振电路一次侧电容和电感参数进行参数辨识，得到谐振电路一次侧电容和电感实际值。

2.根据权利要求1所述的一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包含以下步骤：

根据谐振式无线充电系统典型结构，构建系统等效电路图，根据回路电流方程，得到谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程为：

其中

Z₀为将谐振电路二次侧阻抗和互感抗通过互感反映到一次侧后一次侧等效总阻抗，R₀、X₀分别为二次侧阻抗反映至一次侧后一次侧等效总电阻和等效总电抗，ω为谐振电路输入信号角频率，L₁为谐振电路一次侧线圈电感，L₂为二次侧线圈电感，C₁为谐振电路一次侧补偿电容，C₂为二次侧补偿电容，M为谐振电路一次侧与二次侧的互感，

k为耦合因数，R₁为谐振电路一次侧等效内阻，R₂为二次侧等效内阻，R_S为充电负载等效电阻，U为谐振电路输入电压有效值，I₁为谐振电路一次侧电流有效值。

3.根据权利要求2所述的一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包含以下步骤：

根据步骤(1)，谐振式无线充电系统谐振电路一次侧电流有效值方程对于输入信号角频率ω连续可导，当一次侧电流有效值取得峰值时偏导为0，设此时谐振电路输入信号频率为f₀、角频率为ω₀＝2πf₀，则输入信号频率约束方程为：

其中

a₄＝(R₂+R_S)²+a₅ ²

4.根据权利要求1所述的一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包含以下步骤：

(3.1)对一次侧电流实时波形进行稳态分析，提取电流稳态有效值I₁；

(3.2)截取系统启动时谐振电路一次侧电流瞬态波形，对瞬态波形进行傅里叶变换，傅里叶频谱中各次谐波分量幅值将出现一个或两个峰值，其中一个幅值峰值对应的谐波频率为谐振电路实际输入信号的频率，若存在另一个幅值峰值，则其所对应的谐波频率值即为能够使系统一次侧电流有效值达到峰值的输入信号频率f₀，得ω₀＝2πf₀；若此步骤中傅里叶频谱仅出现一个幅值峰值，则此时谐振电路的实际输入信号频率与频率f₀相等，即f₀＝f。

5.根据权利要求2所述的一种谐振式无线充电系统中一次侧电容与电感参数的辨识方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包含以下步骤：

(4.1)对于步骤(1)中的电流有效值方程和步骤(2)中的频率约束方程，系统的互感耦合因数、谐振电路二次侧电容与电感以及谐振电路中等效电阻均为已知量，则两方程表示为如下形式：

代入步骤(3)获取的两特征量I₁和ω₀，那么两方程的未知量即待辨识参数仅为谐振电路一次侧电容和电感值；

(4.2)取目标函数为min Y(L₁,C₁)＝|G(ω₀,L₁,C₁)|+|H(L₁,C₁)-I₁|，通过优化算法找到使Y(L₁,C₁)最小的L₁、C₁值，从而实现L₁、C₁的参数辨识，则得到谐振电路一次侧电容和电感值。

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