CN109586419B - 一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法及系统，涉及无线充电技术领域，包括以下步骤：1.确定主接收端和从接收端；2.获取系统输出电压U_O，计算主接收端中直‑直变换器下一时刻的占空比D_m；3.计算最优等效电阻比β_m；4.基于系统输出电压U_O计算实际等效负载比β_r，根据最优等效电阻比β_m、实际等效负载比β_r计算从接收端中直‑直变换器下一时刻的占空比D_s；5.根据步骤1所得的主从接收端判断结果，控制主接收端中直‑直变换器下一时刻的占空比等于D_m、从接收端中直‑直变换器下一时刻的占空比等于D_s、系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*、实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m；6.重复步骤1至5，直至系统工作停止。

Description

一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法及系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法及系统。

背景技术

无线电能传输系统利用高频电磁场近场耦合原理，以高频磁场作为传输介质，通过发射线圈和接收线圈间的磁场耦合实现电能的无线传输。无线电能传输系统主要由两个部分组成，一部分是连接在电源一侧的发射端，另一部分是位于负载侧的接收端，能量通过电磁感应的方式由发射端传输到接收端。现有的无线电能传输系统主要由发射端的直流电源、逆变器、发射线圈、发射补偿电容以及接收端的接收线圈、接收补偿电容、整流器和负载组成。

目前电动汽车充电主要采用传统接触供电方式，这种充电方式存在充电电流大、笨重且不美观，机械磨损及漏电等安全隐患。无线电能传输技术可以很好的克服上述弊端，具有便捷、美观、安全以及灵活性高等优点。在指定区域给电动汽车充电应用的技术被称作静态无线电能传输技术。然而，电动汽车静态无线充电技术受到当前动力电池技术发展的制约，存在诸多如续航短、充电时间长、频繁充电、电池组笨重等问题。基于这种背景，人们提出了电动汽车动态无线供电技术的研究。以非接触的方式给行驶中的电动汽车提供能量，电动汽车可搭载较轻的电池组，同时可解决续航里程问题，减少电动汽车进站充电的时间。但是，在车辆动态移动过程中，发射线圈与接收线圈之间的互感是时刻变化的，无法保证无线电能传输系统在动态移动过程中保持输出功率/输出电压的恒定，同时导致无线动态充电过程中的效率并没有最优。

发明内容

本发明的目的在于：为解决无线电能传输系统在动态移动过程中，接收端接收到的功率一直变化，导致无线电能传输系统的输出功率和效率低的问题，提供了一种动态无线电能传输系统功率分配控制方法及系统，本发明使动态无线电能传输系统在动态移动过程中保持输出功率/输出电压的恒定，同时使得系统的效率达到最优。

本发明采用的技术方案如下：

一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，包括以下步骤：

步骤1.获取接收端A中整流器R1的输出电压U_R1和接收端B中整流器R2的输出电压U_R2，根据输出电压U_R1和U_R2的大小确定主接收端和从接收端；

步骤2.获取系统输出电压U_O，根据系统输出电压U_O和预先设定的系统参考电压U_O ^*计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m；

步骤3.计算系统在最优效率下接收端A和接收端B的最优等效电阻比β_m；

步骤4.基于系统输出电压U_O计算当前时刻接收端A的等效负载电阻R_Leq1、接收端B的等效负载电阻R_Leq2，记实际等效负载比β_r＝R_Leq2/R_Leq1；

根据最优等效电阻比β_m、实际等效负载比β_r计算从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s；

步骤5.根据步骤1所得的主从接收端判断结果，控制主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比等于D_m、从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比等于D_s；

步骤6.重复步骤1至步骤5，直至系统工作停止。

进一步地，所述步骤2中，计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m的具体方法为：计算系统输出电压U_O与预先设定的系统参考电压U_O ^*的差值ΔU，将差值ΔU通过PI控制算法计算出主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m。

进一步地，所述步骤3中，系统在最优效率下接收端A和接收端B的最优等效电阻比β_m的计算公式为：

β_m＝R_L2/R_L1

其中，R_L1、R_L2分别表示接收线圈Ls1和接收线圈Ls2的等效内阻。

进一步地，所述步骤4中，计算当前时刻接收端A的等效负载电阻R_Leq1的具体方法如下：

获取接收端A的输出电流I_O1，计算当前时刻接收端A的输出电阻R_O1＝U_O/I_O1；

计算当前时刻输出电阻R_O1在整流器R1前侧的等效负载电阻R_Leq1：

其中，D₁表示当前时刻接收端A中直-直变换器BC1的占空比；

计算当前时刻接收端B的等效负载电阻R_Leq2的具体方法如下：

获取接收端B的输出电流I_O2，计算当前时刻接收端B的输出电阻R_O2＝U_O/I_O2；

计算当前时刻输出电阻R_O2在整流器R2前侧的等效负载电阻R_Leq2：

其中，D₂表示当前时刻接收端B中直-直变换器BC2的占空比。

进一步地，所述步骤4中，计算从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s的具体方法为：计算最优等效电阻比β_m与实际等效负载比β_r的差值Δβ，将差值Δβ通过PI控制算法计算出从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s。

进一步地，所述步骤5中，对主从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比、系统输出电压和主从接收端实际等效负载比β_r进行控制更具体为：

若判定接收端A作为主接收端、接收端B作为从接收端，则使直-直变换器BC1下一时刻的占空比等于占空比D_m；使直-直变换器BC2下一时刻的占空比等于占空比D_s；使系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*；使主从接收端的实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m；

若判定接收端B作为主接收端、接收端A作为从接收端，则使直-直变换器BC2下一时刻的占空比等于占空比D_m；使直-直变换器BC1下一时刻的占空比等于占空比D_s；使系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*；使主从接收端的实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m。

进一步地，所述步骤1中，根据输出电压U_R1和U_R2的大小确定主接收端和从接收端的具体方法为：若U_R1≥U_R2，则将接收端A判定为主接收端、接收端B判定为从接收端；若U_R1＜U_R2，则将接收端B判定为主接收端、接收端A判定为从接收端。

一种动态无线电能传输系统，包括发射端和接收端A、接收端B，发射端包括依次连接的直流电源E、全桥逆变器H1、发射线圈结构；接收端A包括依次相连的接收线圈Ls1、接收补偿电容Cs1、整流器R1、整流滤波电容Cr1、直-直变换器BC1、直流滤波电容Cd1，接收端控制器KP与直-直变换器BC1相连；接收端B包括依次相连的接收线圈Ls2、接收补偿电容Cs2、整流器R2、整流滤波电容Cr2、直-直变换器BC2、直流滤波电容Cd2，接收端控制器KP与直-直变换器BC2相连；直流滤波电容Cd1与直流滤波电容Cd2并联后再与负载R相连；

整流滤波电容Cr1与直-直变换器BC1之间连接有直流电压传感器UR1，直流滤波电容Cd1与负载R之间连接有直流电流传感器IO1；

整流滤波电容Cr2与直-直变换器BC2之间连接有直流电压传感器UR2，直流滤波电容Cd2与负载R之间连接有直流电流传感器IO2；

负载R上并联有直流电压传感器UO；

直流电流传感器IO1的输出端、直流电压传感器UR1的输出端、直流电压传感器UO的输出端、直流电流传感器IO2的输出端、直流电压传感器UR2的输出端均与接收端控制器KP相连。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明能在取消发射端与接收端之间通信的情况下，保证系统的输出电压是恒定的，减少了系统的复杂性。

2、本发明所采用的控制方法不需要对发射线圈和接收线圈之间的互感进行测量，减少了互感测量模块，提高了在动态运行环境下的适用性。

3、本发明所采用的功率分配方法，能够减小接收线圈上的损耗，使得系统效率达到最优。

4、本发明能够实时优化两个接收电路的功率分配情况，使得系统在动态移动过程中，输出电压/输出功率恒定，同时减小接收端电路损耗，提高系统效率；该方法检测方法简单，易于动态移动场景下的实施。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中的电路结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种动态无线电能传输系统，如图1所示，包括发射端和接收端A、接收端B，发射端包括依次连接的直流电源E、全桥逆变器H1、发射线圈结构，发射线圈结构包括发射谐振电感Lp、发射补偿电容Cp、发射线圈Lt。接收端A包括依次相连的接收线圈Ls1、接收补偿电容Cs1、整流器R1、整流滤波电容Cr1、直-直变换器BC1、直流滤波电容Cd1，接收端控制器KP与直-直变换器BC1相连。接收端B包括依次相连的接收线圈Ls2、接收补偿电容Cs2、整流器R2、整流滤波电容Cr2、直-直变换器BC2、直流滤波电容Cd2，接收端控制器KP与直-直变换器BC2相连；直流滤波电容Cd1与直流滤波电容Cd2并联后再与负载R相连。

整流滤波电容Cr1与直-直变换器BC1之间连接有直流电压传感器UR1，直流滤波电容Cd1与负载R之间连接有直流电流传感器IO1；整流滤波电容Cr2与直-直变换器BC2之间连接有直流电压传感器UR2，直流滤波电容Cd2与负载R之间连接有直流电流传感器IO2；负载R上并联有直流电压传感器UO。直流电流传感器IO1的输出端、直流电压传感器UR1的输出端、直流电压传感器UO的输出端、直流电流传感器IO2的输出端、直流电压传感器UR2的输出端均与接收端控制器KP相连。本实施例中，接收端控制器KP的型号采用TMS320F28335。

一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，具体步骤如下：

步骤1.接收端控制器KP接收直流电压传感器UR1测得的接收端A中整流器R1的输出电压U_R1和直流电压传感器UR2测得的接收端B中整流器R2的输出电压U_R2，根据输出电压U_R1和U_R2的大小确定主接收端和从接收端。

根据输出电压U_R1和U_R2的大小确定主接收端和从接收端的具体方法为：若U_R1≥U_R2，则接收端控制器KP将接收端A判定为主接收端、接收端B判定为从接收端。若U_R1＜U_R2，则接收端控制器KP将接收端B判定为主接收端、接收端A判定为从接收端。

步骤2.接收端控制器KP接收直流电压传感器UO测得的系统输出电压U_O，接收端控制器KP根据系统输出电压U_O和预先设定的系统参考电压U_O ^*计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m。

计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m的具体方法为：接收端控制器KP计算系统输出电压U_O与预先设定的系统参考电压U_O ^*的差值ΔU，接收端控制器KP将差值ΔU通过PI控制算法计算出主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m。

步骤3.接收端控制器KP计算系统在最优效率下接收端A和接收端B的最优等效电阻比β_m，最优等效电阻比β_m的计算公式为：

β_m＝R_L2/R_L1

其中，R_L1、R_L2分别表示接收线圈Ls1和接收线圈Ls2的等效内阻。

步骤4.接收端控制器KP基于系统输出电压U_O计算当前时刻接收端A中整流器R1前侧的等效负载电阻R_Leq1、接收端B中整流器R2前侧的的等效负载电阻R_Leq2，接收端控制器KP计算实际等效负载比β_r＝R_Leq2/R_Leq1。

接收端控制器KP根据最优等效电阻比β_m、实际等效负载比β_r计算从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s。

计算当前时刻接收端A的等效负载电阻R_Leq1的具体方法如下：

接收端控制器KP接收直流电压传感器IO1测得的接收端A的输出电流I_O1；

接收端控制器KP计算当前时刻接收端A的输出电阻R_O1＝U_O/I_O1，并计算当前时刻输出电阻R_O1在整流器R1前侧的等效负载电阻R_Leq1：

其中，D₁表示接收端控制器KP设定的当前时刻接收端A中直-直变换器BC1的占空比。

计算当前时刻接收端B的等效负载电阻R_Leq2的具体方法如下：

接收端控制器KP接收直流电压传感器IO2测得的接收端B的输出电流I_O2；

接收端控制器KP计算当前时刻接收端B的输出电阻R_O2＝U_O/I_O2，并计算当前时刻输出电阻R_O2在整流器R2前侧的等效负载电阻R_Leq2：

其中，D₂表示接收端控制器KP设定的当前时刻接收端B中直-直变换器BC2的占空比。

计算从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Ds的具体方法为：接收端控制器KP计算最优等效电阻比β_m与实际等效负载比β_r的差值Δβ，将差值Δβ通过PI控制算法计算出从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s。

步骤5.根据步骤1所得的主从接收端判断结果，控制主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比等于D_m、从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比等于D_s、系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*、实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m。具体为：

若判定接收端A作为主接收端、接收端B作为从接收端，则接收端控制器KP向直-直变换器BC1发送控制信号，使直-直变换器BC1下一时刻的占空比等于占空比D_m；向直-直变换器BC2发送控制信号，使直-直变换器BC2下一时刻的占空比等于占空比D_s；使系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*；使主从接收端的实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m。

若判定接收端B作为主接收端、接收端A作为从接收端，则接收端控制器KP向直-直变换器BC2发送控制信号，使直-直变换器BC2下一时刻的占空比等于占空比D_m；向直-直变换器BC1发送控制信号，使直-直变换器BC1下一时刻的占空比等于占空比D_s；使系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*；使主从接收端的实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m。

步骤6.重复步骤1至步骤5，直至系统工作停止。

本发明的具体原理如下：

设接收线圈Ls1与发射线圈Lt的互感为M_T1，接收线圈Ls2与发射线圈Lt的互感为M_T2，发射线圈Lt上的电流恒定为I_T，系统的工作角频率为ω，接收线圈Ls1上的电流相量为

接收线圈Ls1上的电流相量为

β_r为接收端B等效负载电阻与接收端A等效负载电阻的比值，则接收端A和接收端B拾取的功率P_R1和P_R2可表示为：

系统总的输出功率为P_R1和P_R2之和，可表示为：

设接收线圈Ls1上的内阻为R_L1，接收线圈Ls2上的内阻为R_L2，则两个接收线圈上的功率损耗分别为：

则系统的传输效率η可表示为：

其中，P_lossT为发射线圈Lt上的功率损耗。

对效率表达式η关于实际等效负载比β_r求导：

可以得到最优等效负载比β_m为：

其中，R_LA和R_LB分别表示接收线圈Ls1和Ls2的内阻。因此，当实际等效负载比β_r的值被控制为最优等效负载比β_m时，系统效率达到最优。最优效率η_m可表示为：

其中，P_O表示系统输出功率，且为一常量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.获取接收端A中整流器R1的输出电压U_R1和接收端B中整流器R2的输出电压U_R2，根据输出电压U_R1和U_R2的大小确定主接收端和从接收端；根据输出电压U_R1和U_R2的大小确定主接收端和从接收端的具体方法为：若U_R1≥U_R2，则将接收端A判定为主接收端、接收端B判定为从接收端；若U_R1＜U_R2，则将接收端B判定为主接收端、接收端A判定为从接收端；

步骤2.获取系统输出电压U_O，根据系统输出电压U_O和预先设定的系统参考电压U_O ^*计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m；

步骤3.计算系统在最优效率下接收端A和接收端B的最优等效电阻比β_m；

步骤4.基于系统输出电压U_O计算当前时刻接收端A的等效负载电阻R_Leq1、接收端B的等效负载电阻R_Leq2，记实际等效负载比β_r＝R_Leq2/R_Leq1；

根据最优等效电阻比β_m、实际等效负载比β_r计算从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s；

步骤5.根据步骤1所得的主从接收端判断结果，控制主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比等于D_m、从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比等于D_s；

步骤6.重复步骤1至步骤5，直至系统工作停止。

2.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，其特征在于，所述步骤2中，计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m的具体方法为：计算系统输出电压U_O与预先设定的系统参考电压U_O ^*的差值ΔU，将差值ΔU通过PI控制算法计算出主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_m。

3.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，其特征在于，所述步骤3中，系统在最优效率下接收端A和接收端B的最优等效电阻比β_m的计算公式为：

β_m＝R_L2/R_L1

其中，R_L1、R_L2分别表示接收线圈Ls1和接收线圈Ls2的等效内阻。

4.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，其特征在于，所述步骤4中，计算当前时刻接收端A的等效负载电阻R_Leq1的具体方法如下：

获取接收端A的输出电流I_O1，计算当前时刻接收端A的输出电阻R_O1＝U_O/I_O1；

计算当前时刻输出电阻R_O1在整流器R1前侧的等效负载电阻R_Leq1：

其中，D₁表示当前时刻接收端A中直-直变换器BC1的占空比；

计算当前时刻接收端B的等效负载电阻R_Leq2的具体方法如下：

获取接收端B的输出电流I_O2，计算当前时刻接收端B的输出电阻R_O2＝U_O/I_O2；

计算当前时刻输出电阻R_O2在整流器R2前侧的等效负载电阻R_Leq2：

其中，D₂表示当前时刻接收端B中直-直变换器BC2的占空比。

5.根据权利要求1或4所述的一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，其特征在于，所述步骤4中，计算从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s的具体方法为：计算最优等效电阻比β_m与实际等效负载比β_r的差值Δβ，将差值Δβ通过PI控制算法计算出从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比D_s。

6.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法，其特征在于，所述步骤5中，对主从接收端中直-直变换器下一时刻的占空比、系统输出电压和主从接收端实际等效负载比β_r进行控制更具体为：

若判定接收端A作为主接收端、接收端B作为从接收端，则使直-直变换器BC1下一时刻的占空比等于占空比D_m；使直-直变换器BC2下一时刻的占空比等于占空比D_s；使系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*；使主从接收端的实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m；

若判定接收端B作为主接收端、接收端A作为从接收端，则使直-直变换器BC2下一时刻的占空比等于占空比D_m；使直-直变换器BC1下一时刻的占空比等于占空比D_s；使系统输出电压U_O恒定在系统参考电压U_O ^*；使主从接收端的实际等效负载比β_r等于最优等效电阻比β_m。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种动态无线电能传输系统功率优化分配方法的动态无线电能传输系统，其特征在于，包括发射端和接收端A、接收端B，发射端包括依次连接的直流电源E、全桥逆变器H1、发射线圈结构；接收端A包括依次相连的接收线圈Ls1、接收补偿电容Cs1、整流器R1、整流滤波电容Cr1、直-直变换器BC1、直流滤波电容Cd1，接收端控制器KP与直-直变换器BC1相连；接收端B包括依次相连的接收线圈Ls2、接收补偿电容Cs2、整流器R2、整流滤波电容Cr2、直-直变换器BC2、直流滤波电容Cd2，接收端控制器KP与直-直变换器BC2相连；直流滤波电容Cd1与直流滤波电容Cd2并联后再与负载R相连；其特征在于：

整流滤波电容Cr1与直-直变换器BC1之间连接有直流电压传感器UR1，直流滤波电容Cd1与负载R之间连接有直流电流传感器IO1；

整流滤波电容Cr2与直-直变换器BC2之间连接有直流电压传感器UR2，直流滤波电容Cd2与负载R之间连接有直流电流传感器IO2；

负载R上并联有直流电压传感器UO；

直流电流传感器IO1的输出端、直流电压传感器UR1的输出端、直流电压传感器UO的输出端、直流电流传感器IO2的输出端、直流电压传感器UR2的输出端均与接收端控制器KP相连。

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