CN109774520A - 提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法 - Google Patents

提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明是提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法。本发明采用控制器、发射端和接收端建立系统电路模型，根据获取矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数和计算得到的耦合系数，调节发射端位置，进一步使得XY方向的耦合系数无限接近矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数。本发明基于变步长的“扰动‑观测”算法，不需要进行复杂的数学计算，不需要额外的通信电路，仅通过发射端或地面设备参数的测量可实现耦合系数预测，并将其作为位置调节的依据，简化了系统结构，避免了强磁场对无线通信的干扰。

Description

提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调 节方法
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，是一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法。
背景技术
近些年来，由于其便捷、安全、美观等特点，无线充电技术在电动汽车充电领域获得广泛应用。电动汽车无线充电系统的结构及工作过程如下：发射端——逆变器通过DC-AC转换将直流电逆变为高频交变电,逆变器输出的交流电流通入安装在地面或地下的发射线圈中,在充电区域内产生高频电磁场；接收端——安装在汽车底盘的接收线圈感应到发射线圈的高频电磁场，产生高频电压，再经过整流电路转化为直流电，用以给车载电池充电。当发射端和接收端的电路均处于谐振状态时，能减小系统的无功功率，提高系统的传输功率和效率。
目前用于电动汽车无线充电的线圈结构多种多样，其中主要有以矩形线圈为代表的单极型线圈和以DD线圈为代表的双极型线圈。当发射端和接收端线圈不同时，充电系统无法正常工作。单极型和双极型线圈无法兼容，不同厂家生产的产品不具备通用性，更关键的是目前国内没有制订互操作性相关标准，进一步阻碍了电动汽车无线充电产品的普及。
为解决上述线圈间不兼容的问题，目前学术界进行了一定研究：
文献Budhia M,Boys J T,Covic G A,et al.Development of a Single-SidedFlux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2012,60(1):318-328.提出一种改进的DDQ线圈作为接收线圈，当发射端采用矩形线圈或DD线圈时均能实现充电。但缺点是DDQ线圈结构复杂，用线量大，需要两套独立的整流滤波电路，使接收端体积重量上升；
文献Covic G A,Kissin M L G,Kacprzak D,et al.A bipolar primary padtopology for EV stationary charging and highway power by inductive coupling[C]//Energy Conversion Congress&Exposition.IEEE,2011.
提出一种改进的BP线圈作为发射线圈，当接收端采用矩形线圈或DD线圈时均能实现充电。但缺点是BP线圈需要两套独立的逆变器控制，输出功率和相位需要实时控制，整体结构和控制算法复杂，系统效率偏低；
一种电动汽车无线充电的自适应系统及方法CN201810426094.7提出一种接收端位置可调的自适应无线充电系统，通过位置调整装置将接收端调节到期望位置，以跟踪最佳输出功率。但缺点有：1、提出的自适应位置调节算法在提升矩形和DD线圈互操作性时不够简便，需要优化；2、需要通过无线通信实时获取系统输出功率，必须添加额外的通信回路。
发明内容
本发明为解决现有存在的问题，提供了一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，本发明提供了以下技术方案：
一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，所述方法基于无线充电的自适应系统，所述系统包括发射端、接收端和控制器，所述方法包括如下步骤：
步骤一：获取矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数kmax；
步骤二：在充电开始前进行系统初始化，建立发射端位置调节机构，获取发射端、接收端线圈和补偿网络参数；
步骤三：测量原边线圈电流I1、原边并联补偿电容两端电压Uc1和I1与Uc1相位差，计算逆变器输出功率P，进一步计算得到此时原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)，以及X方向和Y方向的矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(i)和kest(j)，所述X方向为DD线圈磁感线方向，所述Y方向为垂直于DD线圈磁感线的方向；
步骤四：设置ε为接受的误差，当|kest(0)-kmax|＜ε时，认为该方向目标位置已达到，则不需要进行调节，满足充电要求；
步骤五：当不满足|kest(0)-kmax|＜ε时，进行X方向的位置调节移动发射端，沿X方向正方向移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，将步骤三中计算方法得到的kest(i+1)与kest(i+2)进行比较，根据比较结果进行X方向的位置调节移动发射端；
步骤六：重复步骤五，直至X方向的耦合系数满足|kest(i+2)-kest(i+1)|＜ε，结束X方向调节；
步骤七：进行Y方向的位置调节移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，根据步骤三中所计算方法得到X方向调节结束时，Y方向的矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(j)，固定Δ1不变，调节Y方向，直至Y方向|kest(j+2)-kmax|＜ε，结束Y方向调节；
步骤八：当X和Y方向调节完成后，根据步骤三所述方法进一步计算原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)并满足|kest(0)-kmax|＜ε，发射端位置调节程序完成，系统开始充电。
优选地，所述步骤二中参数包括原边线圈自感Lp、副边线圈自感Ls、原副边线圈内阻R1和R2、副边补偿电感L2和负载电阻RL。
优选地，所述步骤三具体为：
第一步：在安全电压范围内上电，测量原边线圈电流I1、原边并联补偿电容两端电压相位差Uc1和I1于Uc1相位差，通过下式计算逆变器输出功率P：
P＝UC1I1cosθ (1)
其中，I1为原边线圈电流，Uc1为原边并联补偿电容两端电压相位差，θ为I1，Uc1的相位差；
第二步：根据计算得到的逆变器输出功率P，通过下式计算X方向和Y方向矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(i)和kest(j)：
其中，R1和R2为原副边线圈内阻，Lp为原边线圈自感，Ls为副边线圈自感，L2为副边补偿电感，RL为负载电阻，ω为系统工作频率，C2为副边并联补偿电容；
第三步：根据公式(2)计算，得到kest(0)。
优选地，所述步骤五具体为：
第一步：设定每次移动距离Δ1；
第二步：当kest(i+1)小于kest(i)，则将发射端向X方向正向移动Δ1，当kest(i+1)大于kest(i)，则将发射端向X方向反向移动Δ1；
第三步：当|kest(i+1)-kest(i)|＞A，则增大Δ1；当|kest(i+1)-kest(i)|≤A，则减小Δ1；
优选地，通过人为设定判定条件A，同时Δ1的变化步长由人为设定。
优选地，所述步骤七具体为：
第一步：设定每次移动距离Δ1，根据公式(2)计算得到kest(j)；
第二步：根据固定不变的每次移动距离Δ1，调节Y方向的位置的发射端，当kest(j+1)＞kest(j)，则将发射端向Y方向正方向移动Δ1；当kest(j+1)＜kest(j)，则将发射端向Y方向反方向移动Δ1；
第三步：再根据公式(2)计算求得kest(j+2)，当|kest(j+2)-kmax|＜ε，则结束Y方向的位置调节移动发射端操作。
优选地，采用DSP、FPGA或者单片机的控制器实现的锁相环功能测量I1与Uc1相位差。
优选地，通过步骤一至步骤八所述的提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法建立的发射端位置调节机构，对发射端进行X方向和Y方向的位置调节。
优选地，通过电压传感器测量Uc1，采用电流传感器测量I1。
本发明具有以下有益效果：
1、不需要采用类似BP、DDQ线圈等复杂的发射或接收线圈结构，减少了线圈制作难度，减少了用线量，提升了系统效率。相比于采用两套独立线圈的BP和DDQ线圈，避免了复杂的电气控制；
2、相比于目前提出的自适应位置调节方法，本发明提出的方法基于变步长的“扰动-观测”算法，不需要进行复杂的数学计算，同时由于变步长思想的引入，提升了传统自适应方法的运算速度；
3、相比于现有借助无线通信获取接收端信息的调节方法，本发明提出的方法不需要额外的通信电路，仅通过发射端或地面设备参数的测量可实现耦合系数预测，并将其作为位置调节的依据，简化了系统结构，避免了强磁场对无线通信的干扰。
附图说明
图1是自适应系统电路模型图。
图2是算法流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
如图1和图2所示，本发明提供一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，所述方法基于无线充电的自适应系统，所述系统包括发射端、接收端和控制器，所述方法包括如下步骤：
步骤一：获取矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数kmax；
步骤二：在充电开始前进行系统初始化，建立发射端位置调节机构，获取发射端、接收端线圈和补偿网络参数；
步骤三：测量原边线圈电流I1、原边并联补偿电容两端电压Uc1和I1与Uc1相位差，计算逆变器输出功率P，进一步计算得到此时原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)，以及X方向和Y方向的矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(i)和kest(j)，所述X方向为DD线圈磁感线方向，所述Y方向为垂直于DD线圈磁感线的方向；
步骤四：设置ε为接受的误差，当|kest(0)-kmax|＜ε时，认为该方向目标位置已达到，则不需要进行调节，满足充电要求；
步骤五：当不满足|kest(0)-kmax|＜ε时，进行X方向的位置调节移动发射端，沿X方向正方向移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，将步骤三中计算方法得到的kest(i+1)与kest(i+2)进行比较，根据比较结果进行X方向的位置调节移动发射端；
步骤六：重复步骤五，直至X方向的耦合系数满足|kest(i+2)-kest(i+1)|＜ε，结束X方向调节；
步骤七：进行Y方向的位置调节移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，根据步骤三中所计算方法得到X方向调节结束时，Y方向的矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(j)，固定Δ1不变，调节Y方向，直至Y方向|kest(j+2)-kmax|＜ε，结束Y方向调节；
步骤八：当X和Y方向调节完成后，根据步骤三所述方法进一步计算原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)并满足|kest(0)-kmax|＜ε，发射端位置调节程序完成，系统开始充电。
图1中Ubus为系统输入直流电源，可由市电整流滤波得到；Cbus为滤波电容；S1～S4为MOSFET，构成H桥型逆变电路；L1为原边串联补偿电感，C1为原边并联补偿电容，Cp为原边串联补偿电容，L2为副边串联补偿电感，C2为副边并联补偿电容，Cs为副边串联补偿电容，M是原副边线圈互感，D1～D4为二极管，构成整流电路，经滤波电容C0给负载电阻RL提供能量。
具体实施例二：
步骤一：建立系统所需电路，如图1所示。电容两端电压Uc1可采用电压传感器测得，原边线圈电流I1可采用电流传感器测得，二者之间的相位差可采用DSP、FPGA或单片机等控制器实现的锁相环功能测得，耦合系数kest(i)的计算也通过控制器运算功能实现；
步骤二：建立发射端位置调节机构。本发明提出的发射端位置调节机构具备X和Y方向位置调节功能，根据控制器发出的位移指令进行位置调节；
步骤三：进行系统初始化。在系统初始化过程中，主要完成参数获取，获取的参数包括：原边线圈自感Lp，副边线圈自感Ls，原副边线圈内阻R1、R2，副边补偿电感L2，负载阻值RL；
步骤四：进行弱电测试。在安全电压范围内上电，测量Uc1、I1和二者相位差，根据kest计算公式得到kest(0)；
通过下式计算逆变器输出功率P：
P＝UC1I1cosθ (1)
其中，I1为原边线圈电流，Uc1为原边并联补偿电容两端电压相位差，θ为I1，Uc1的相位差；
据计算得到的逆变器输出功率P，通过下式计算X方向和Y方向矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(i)和kest(j)：
其中，R1和R2为原副边线圈内阻，Lp为原边线圈自感，Ls为副边线圈自感，L2为副边补偿电感，RL为负载电阻，ω为系统工作频率，C2为副边并联补偿电容。
根据公式(2)计算，得到kest(0)，设置ε为接受的误差，当时，认为该方向目标位置已达到，则不需要进行调节，满足充电要求；
步骤五：当不满足|kest(0)-kmax|＜ε时，进行X方向的位置调节移动发射端，沿X方向正方向移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，将步骤三中计算方法得到的kest(i+1)与kest(i+2)进行比较，根据比较结果进行X方向的位置调节移动发射端；
进行X方向位置调节。根据公式(2)求得kest(i+1)，当kest(i+1)小于kest(i)，则将发射端向X方向正向移动Δ1，当kest(i+1)大于kest(i)，则将发射端向X方向反向移动Δ1；
再次根据公式(2)计算求得kest(i+1)，当|kest(i+1)-kest(i)|＞A，则增大Δ1；当|kest(i+1)-kest(i)|≤A，则减小Δ1。
重复步骤五，可得到X方向上接近kmax的kest(i)；
步骤六：进行Y方向位置调节。同步骤五，Δ1设为不变，设定每次移动距离Δ1，根据公式(2)计算得到kest(j)；
根据固定不变的每次移动距离Δ1，调节Y方向的位置的发射端，根据公司(2)求得kest(j+1)，当kest(j+1)＞kest(j)，则将发射端向Y方向正方向移动Δ1；当kest(j+1)＜kest(j)，则将发射端向Y方向反方向移动Δ1；
再根据公式(2)计算求得kest(j+2)，当|kest(j+2)-kmax|＜ε，则结束Y方向的位置调节移动发射端操作，可得到XY平面内接近kmax的kest(j)；
步骤七：开始系统充电。步骤六结束后可得到DD线圈和矩形线圈之间最高的耦合系数，其取值若经过判别满足充电要求，根据步骤三所述方法进一步计算原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)并满足|kest(0)-kmax|＜ε，开始充电过程。
以上所述仅是提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法的优选实施方式，提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：所述方法基于无线充电的自适应系统，所述系统包括发射端、接收端和控制器，所述方法包括如下步骤：
步骤一：获取矩形和DD线圈互操作时满足充电要求的耦合系数kmax；
步骤二：在充电开始前进行系统初始化，建立发射端位置调节机构，获取发射端、接收端线圈和补偿网络参数；
步骤三：测量原边线圈电流I1、原边并联补偿电容两端电压Uc1和I1与Uc1相位差，计算逆变器输出功率P，进一步计算得到此时原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)，以及X方向和Y方向的矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(i)和kest(j)，所述X方向为DD线圈磁感线方向，所述Y方向为垂直于DD线圈磁感线的方向；
步骤四：设置ε为接受的误差，当|kest(0)-kmax|＜ε时，认为该方向目标位置已达到，则不需要进行调节，满足充电要求；
步骤五：当不满足|kest(0)-kmax|＜ε时，进行X方向的位置调节移动发射端，沿X方向正方向移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，将步骤三中计算方法得到的kest(i+1)与kest(i+2)进行比较，根据比较结果进行X方向的位置调节移动发射端；
步骤六：重复步骤五，直至X方向的耦合系数满足|kest(i+2)-kest(i+1)|＜ε，结束X方向调节；
步骤七：进行Y方向的位置调节移动发射端，设定每次移动距离为Δ1，根据步骤三中所计算方法得到X方向调节结束时，Y方向的矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(j)，固定Δ1不变，调节Y方向，直至Y方向|kest(j+2)-kmax|＜ε，结束Y方向调节；
步骤八：当X和Y方向调节完成后，根据步骤三所述方法进一步计算原副边线圈耦合系数kest(i)(i＝0)并满足|kest(0)-kmax|＜ε，发射端位置调节程序完成，系统开始充电。
2.根据权利要求1所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：所述步骤二中参数包括原边线圈自感Lp、副边线圈自感Ls、原副边线圈内阻R1和R2、副边补偿电感L2和负载电阻RL。
3.根据权利要求1所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：所述步骤三具体为：
第一步：在安全电压范围内上电，测量原边线圈电流I1、原边并联补偿电容两端电压相位差Uc1和I1于Uc1相位差，通过下式计算逆变器输出功率P：
P＝UC1I1cosθ (1)
其中，I1为原边线圈电流，Uc1为原边并联补偿电容两端电压相位差，θ为I1，Uc1的相位差；
第二步：根据计算得到的逆变器输出功率P，通过下式计算X方向和Y方向矩形和DD线圈互操作时耦合系数kest(i)和kest(j)：
其中，R1和R2为原副边线圈内阻，Lp为原边线圈自感，Ls为副边线圈自感，L2为副边补偿电感，RL为负载电阻，ω为系统工作频率，C2为副边并联补偿电容；
第三步：根据公式(2)计算，得到kest(0)。
4.根据权利要求3所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：所述步骤五具体为：
第一步：设定每次移动距离Δ1；
第二步：当kest(i+1)小于kest(i)，则将发射端向X方向正向移动Δ1，当kest(i+1)大于kest(i)，则将发射端向X方向反向移动Δ1；
第三步：当|kest(i+1)-kest(i)|＞A，则增大Δ1；当|kest(i+1)-kest(i)|≤A，则减小Δ1。
5.根据权利要求4所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：通过人为设定判定条件A，同时Δ1的变化步长由人为设定。
6.根据权利要求3所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：所述步骤七具体为：
第一步：设定每次移动距离Δ1，根据公式(2)计算得到kest(j)；
第二步：根据固定不变的每次移动距离Δ1，调节Y方向的位置的发射端，当kest(j+1)＞kest(j)，则将发射端向Y方向正方向移动Δ1；当kest(j+1)＜kest(j)，则将发射端向Y方向反方向移动Δ1；
第三步：再根据公式(2)计算求得kest(j+2)，当|kest(j+2)-kmax|＜ε，则结束Y方向的位置调节移动发射端操作。
7.根据权利要求1所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：采用DSP、FPGA或者单片机的控制器实现的锁相环功能测量I1与Uc1相位差。
8.根据权利要求1所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：通过步骤一至步骤八所述的提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法建立的发射端位置调节机构，对发射端进行X方向和Y方向的位置调节。
9.根据权利要求1所述的一种提升电动汽车无线充电线圈互操作性的发射端位置自适应调节方法，其特征是：通过电压传感器测量Uc1，采用电流传感器测量I1。
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