CN109831035B - 一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法，采用互感模型分析互感值与系统电路参数之间关系，从而推导出用于实现线/离线的互感辨识算法的函数关系式。本发明所述方法适用于不同的补偿拓扑和磁耦合机构，并且算法复杂度较低、运算时间短以及互感辨识精度高。此外，提出的方法不仅能够实现离线状态下的互感辨识，而且能够实现动态无线充电系统的互感辨识，极大地提高方法的工程实用性。

Description

一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，特别是涉及一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法。

背景技术

无线充电技术作为一种新型电能传输技术，彻底地摆脱了传导式充电存在的接口不一致、机械磨损和易受环境影响等问题，受到国内外科研机构和公司的密切关注。通常而言，按照充电过程中接收端位置是否动态变化，无线充电技术可分为静态和动态两种形式。其中，静态无线充电技术应用于能量接收端(副边部分)相对于能量发射端(原边部分)位置固定的设备充电；动态充电技术应用于能量接收端(副边部分)相对于能量发射端(原边部分)位置动态变化的设备充电。近年来，随着无线充电技术的基础理论与关键技术的研究不断深入，该技术已经成功应用于电动车、便携式设备、医疗设备及特殊环境(易燃易爆)等领域。

由于无线充电系统的灵活性和便捷性，系统能量发射端(原边部分)和能量接收端(副边部分)不可避免的存在水平偏移或者垂直偏移。偏移影响磁耦合机构的互感值，从而进一步影响传输功率和系统效率，严重时将会导致系统无法正常工作。因此，磁耦合机构的互感辨识方法不仅是无线充电系统中亟待研究的关键技术之一，而且是保证无线充电系统高性能运行的坚实保障。

目前，国内外学者围绕互感辨识问题展开了相关研究。有文献记载在系统能量发射端增加一个谐振电容，通过切换改电容容值改变原边谐振电路的固有频率，获得两组数学方程实现互感辨识。有文献针对串串(Series-Series，SS)补偿的磁耦合无线电能传输系统，在系统工作频率偏移系统固有频率前提下，提出一种基于频率调节的互感估计方法；方法的缺陷在于系统工作频率偏离固有频率时，往往会导致系统功率和效率的降低。还有文献记载通过测量磁耦合无线电能传输系统输出电压的两个瞬时值，通过数学公式计算动态变化的互感值，问题在于该方法需要在副边采用dc-dc变换器，会导致系统成本和体积增加且影响系统效率。还有文献通过建立系统时域模型，提出一套互感最优值全局搜索算法，问题在于算法计算量巨大和耗时增加。另有文献通过测量副边谐振电路的电压和电流估计互感值，问题在于电压和电流存在较大谐波时，将会导致估计的互感值误差较大。

综上所述，现有技术在对磁耦合无线电能传输系统进行互感辨识时，要么需要额外的硬件电路拓扑，要么算法的复杂度高且耗时多，要么对系统参数要求苛刻，且误差较大。因此，有必要提出一种较为完善的互感辨识方法。

发明内容

本发明目的是为了解决现有互感辨识方法存在的不足，在深入分析现有无线充电系统的互感辨识方法存在的缺陷基础上，提出了一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法。本发明提出的方法适用于不同尺寸、形状和结构的磁耦合机构，并且不依赖于无线充电系统补偿拓扑，具备良好的工程应用和商业价值。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法，具体包括以下步骤：

步骤1、构建带有补偿拓扑的无线充电系统电路结构，系统直流输入电压经过逆变器后，形成交变磁场，然后通过发射线圈传输到接收线圈，经过副边全桥整流/滤波电路后，为系统负载提供电能，电路结构中原边部分和副边部分通过无线方式交互信息；

步骤2、根据负载的充电电流I_o与充电电压U_o得到等效负载电阻R_o，确定副边全桥整流/滤波电路的等效输入电阻R_e；

步骤3、确定副边阻抗Z₂以及副边阻抗Z₂映射到原边的反馈阻抗Z_r；

步骤4、根据系统工作频率与原边和副边的谐振频率一致，对反馈阻抗Z_r的表达式进行简化处理；

步骤5、忽略副边整流/滤波电路的损耗，可得原边有功功率P₁与互感值M之间函数关系式，利用正交双通道算法计算有功功率P₁；

步骤6、得到互感辨识用函数表达式。

进一步地，所述补偿拓扑为串联-串联、LCL-串联或LCC-串联。

进一步地，在步骤1中，原边串联电感L₁₁、发射线圈L₁与补偿电容C₁构成原边谐振回路；接收线圈L₂与补偿电容C₂构成副边串联谐振回路。

进一步地，R_e的表达式为：

进一步地，所述副边阻抗Z₂的表达式为：

其中，R₂为副边线圈的内阻值，ω为系统工作角频率，L₂为接收线圈的自感值以及C₂为补偿电容的容值；

所述副边阻抗Z₂映射到原边的反馈阻抗Z_r的表达式为：

其中，M为发射线圈和接收线圈的互感值。

进一步地，所述系统工作频率与原边和副边的谐振频率一致，具体为：ω²L₂C₂＝ω²L₁C₁＝1；所述反馈阻抗Z_r的表达式简化为：

进一步地，所述原边有功功率P₁与互感值M之间函数关系式为：

其中，I_{1_rms}为发射线圈中谐振电流的有效值，R₁为发射线圈的内阻值。

进一步地，所述利用正交双通道算法计算有功功率P₁，具体为：通过霍尔电流传感器和电压传感器同时测量发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)，采用原边控制器对i₁(t)和u_c1(t)进行正交双通道运算，从而计算得到有功功率P₁；

假设发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)表达式为：

其中，I_{1_rms}和U_{c1_rms}分别为发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)的有效值，f为谐振频率，θ表示谐振电流i₁(t)及其谐振电压u_c1(t)之间相位差；

用于实现正交双通道算法的两路正交信号为：

其中，f₁为正交信号的频率；

通过乘法器对两路正交信号进行混频运算，然后采用低通滤波器滤除高频分量，此时用于计算有功功率的表达式为：

P₁＝2(H_I1H_I2+H_Q1H_Q2)

进一步地，所述互感辨识用函数表达式为：

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明所述方法适用于不同的补偿拓扑和磁耦合机构，并且算法复杂度较低、运算时间短以及互感辨识精度高。此外，提出的方法不仅能够实现离线状态下的互感辨识，而且能够实现动态无线充电系统的互感辨识，极大地提高方法的工程实用性。

附图说明

图1为本发明具体实施例的基于LCL-串联补偿拓扑的系统电路结构图；图中C_bus表示直流母线电容，I_dc表示直流母线电流、Q₁-Q₄表示原边全桥逆变电路的四个开关管、D₁-D₄表示副边全桥整流电路的四个二极管、U_e表示副边全桥整流电路的等效输入电压、C₀表示副边全桥整流电流后的滤波电容；

图2为不同类型的补偿拓扑结构图；图中C₁₁表示与L1串联的补偿电容；

图3为不同类型(数组A)磁耦合机构的互感辨识结果图；

图4为不同类型(数组B)磁耦合机构的互感辨识结果图；

图5为不同类型(数组A)磁耦合机构的互感辨识的误差曲线图；

图6为不同类型(数组B)磁耦合机构的互感辨识的误差曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

本发明提出的方法不仅不依赖于补偿拓扑(如串联-串联、LCL-串联和LCC-串联等)，而且适用于不同类型磁耦合机构(如圆形、方形、DD形和导轨型等)的互感辨识。本发明采用互感模型分析互感值与系统电路参数之间关系，从而推导出用于实现线/离线的互感辨识算法的函数关系式。

结合图1和图2，本发明提出一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法，具体包括以下步骤：

步骤1、构建带有补偿拓扑的无线充电系统电路结构，系统直流输入电压经过逆变器后，形成交变磁场，然后通过发射线圈传输到接收线圈，经过副边全桥整流/滤波电路后，为系统负载提供电能，电路结构中原边部分和副边部分通过无线方式(WiFi、蓝牙和ZigBee等)交互信息；所述补偿拓扑为串联-串联、LCL-串联或LCC-串联。在步骤1中，原边串联电感L₁₁、发射线圈L₁与补偿电容C₁构成原边谐振回路；接收线圈L₂与补偿电容C₂构成副边串联谐振回路。

步骤2、根据负载的充电电流I_o与充电电压U_o得到等效负载电阻R_o，此信息通过无线方式传输到原边控制器，用于后续的互感辨识算法；确定副边全桥整流/滤波电路的等效输入电阻R_e；R_e的表达式为：

步骤3、确定副边阻抗Z₂以及副边阻抗Z₂映射到原边的反馈阻抗Z_r；

所述副边阻抗Z₂的表达式为：

其中，R₂为副边线圈的内阻值，ω为系统工作角频率，L₂为接收线圈的自感值以及C₂为补偿电容的容值；

所述副边阻抗Z₂映射到原边的反馈阻抗Z_r的表达式为：

其中，M为发射线圈和接收线圈的互感值。

步骤4、根据系统工作频率与原边和副边的谐振频率一致，对反馈阻抗Z_r的表达式进行简化处理；所述系统工作频率与原边和副边的谐振频率一致，具体为：ω²L₂C₂＝ω²L₁C₁＝1；所述反馈阻抗Z_r的表达式简化为：

步骤5、为实现互感辨识，有必要分析系统参数与互感值之间关系。为简化理论分析，忽略副边整流/滤波电路的损耗，可得原边有功功率P₁与互感值M之间函数关系式，利用正交双通道算法计算有功功率P₁；

所述原边有功功率P₁与互感值M之间函数关系式为：

其中，I_{1_rms}为发射线圈中谐振电流的有效值，R₁为发射线圈的内阻值。

所述利用正交双通道算法计算有功功率P₁，具体为：通过霍尔电流传感器和电压传感器同时测量发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)，采用原边控制器对i₁(t)和u_c1(t)进行正交双通道运算，从而计算得到有功功率P₁；

假设发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)表达式为：

其中，I_{1_rms}和U_{c1_rms}分别为发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)的有效值，f为谐振频率，θ表示谐振电流i₁(t)及其谐振电压u_c1(t)之间相位差；

用于实现正交双通道算法的两路正交信号为：

其中，f₁为正交信号的频率；

通过乘法器对两路正交信号进行混频运算，然后采用低通滤波器(LPF)滤除高频分量，此时用于计算有功功率的表达式为：

P₁＝2(H_I1H_I2+H_Q1H_Q2)

步骤6、得到互感辨识用函数表达式。

所述互感辨识用函数表达式为：

本实施例以LCL-串联补偿的无线充电系统展开分析。具体而言，如图1所示，原边电路中直流电压源U_bus提供整体无线电能传输系统的电能输入。开关管Q₁～Q₄组成原边全桥逆变电路，两组开关管(Q₁和Q₄)和(Q₂和Q₃)轮流导通输出近似方波电压U_s。原边串联电感L₁₁、发射线圈L₁与补偿电容C₁构成原边谐振回路；接收线圈L₂与补偿电容C₂构成副边串联谐振回路。能量由发射线圈通过空间磁场传输到副边，经过副边电路的全桥整流/滤波电路后，为负载提供直流电。为降低电源输入的无功功率以及提高系统功率传输性能，一般尽可能保证原边和副边谐振频率与系统工作频率一致或相近。因此，本发明所设计的电路参数满足如下关系式：

系统中所涉及电路参数(也即L₁，C₁，R₁，L₂，C₂，R₂，R_o，I_{1_rms})均为可测量，在系统运行过程中假定为恒定值。此外，系统工作频率可为任何满足无线充电系统的频率，此处选用电动车无线充电系统用85kHz，以便说明本发明所提出的方法的合理性。

为进一步验证本发明所述方法的可行性与有效性，基于MATLAB/Simulink仿真软件建立仿真模型，仿真时间设置为20ms，此时系统已经稳态运行，最大仿真步长为300ns。理论计算和仿真分析中使用的参数按照实验系统的测试数据进行设置，如表1所示。

表1无线充电系统仿真与实验参数

为验证方法在不同系统参数下均有效，对表1中两组数据进行仿真分析，得到的互感值结果如图3～4所示。图3中的曲线为互感值动态变化(由20μH变为10μH)时，本发明所提出的方法能够快速且高效的估计互感值(19.33μH变为9.94μH)，验证本发明所提出的方法的合理性。图4中的曲线为互感值动态变化(由20μH变为10μH)时，本发明所提出的方法能够快速且高效的估计互感值(20.11μH变为10.04μH)，验证本发明所提出的方法的合理性。由图3-4可知，由于原边发射线圈与副边接收线圈出现偏移导致的互感值动态变化时，由本发明提出的方法可实时估计互感值。图5中的带圆形的曲线为本发明所提出方法估计的互感值，带方块的曲线为估计的互感值与实测值之间的误差。由图5可知，本发明提出的方法在估计互感值时平均误差不大于1.5％，这个误差对于磁耦合无线电能传输系统而言完全可接受。图6中的带圆形的曲线为本发明所提出方法估计的互感值，带方块的曲线为估计的互感值与实测值之间的误差。对比图6和图5可知：随着等效负载电阻由10Ω增加到30Ω的提升，本发明提出的方法在估计互感值时平均误差显著降低，其值不高于0.8％。由图5～6可知，本发明提出的方法在估计互感值时平均误差最大不超过1.5％，并且随着传输功率的增加，误差进一步降低，验证了互感辨识方法的可行性与准确性。

综上所述，本实例以LCL-串联补偿的无线充电系统为例，提出一种互感在线/离线辨识方法，在保证系统有足够的传输功率前提下，采用本发明提出的方法估计互感值时平均误差完全满足实际应用的需求。概括本发明所述方法的主要优势为：适用于不同的补偿拓扑和磁耦合机构，并且算法复杂度较低、运算时间短以及互感辨识精度高。此外，提出的方法不仅能够实现离线状态下的互感辨识，而且能够实现动态无线充电系统的互感辨识，极大地提高方法的工程实用性。

以上对本发明所提供的一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于正交双通道算法的无线充电系统用互感辨识方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1、构建带有补偿拓扑的无线充电系统电路结构，系统直流输入电压经过逆变器后，形成交变磁场，然后通过发射线圈传输到接收线圈，经过副边全桥整流/滤波电路后，为系统负载提供电能，电路结构中原边部分和副边部分通过无线方式交互信息；

步骤2、根据负载的充电电流I_o与充电电压U_o得到等效负载电阻R_o，确定副边全桥整流/滤波电路的等效输入电阻R_e；

步骤3、确定副边阻抗Z₂以及副边阻抗Z₂映射到原边的反馈阻抗Z_r；

步骤4、根据系统工作频率与原边和副边的谐振频率一致，对反馈阻抗Z_r的表达式进行简化处理；

步骤5、忽略副边整流/滤波电路的损耗，可得原边有功功率P₁与互感值M之间函数关系式，利用正交双通道算法计算原边有功功率P₁；

步骤6、得到互感辨识用函数表达式；

所述利用正交双通道算法计算原边有功功率P₁，具体为：通过霍尔电流传感器和电压传感器同时测量发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)，采用原边控制器对i₁(t)和u_c1(t)进行正交双通道运算，从而计算得到原边有功功率P₁；

假设发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)表达式为：

其中，I_{1_rms}和U_{c1_rms}分别为发射线圈的谐振电流i₁(t)及其补偿电容的谐振电压u_c1(t)的有效值，f为谐振频率，θ表示谐振电流i₁(t)及其谐振电压u_c1(t)之间相位差；t为时间；

用于实现正交双通道算法的两路正交信号为：

其中，f₁为正交信号的频率；

通过乘法器对两路正交信号进行混频运算，然后采用低通滤波器滤除高频分量，此时用于计算原边有功功率P₁的表达式为：

P₁＝2(H_I1H_I2+H_Q1H_Q2)

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述补偿拓扑为串联-串联、LCL-串联或LCC-串联。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在步骤1中，原边串联电感L₁₁、发射线圈与补偿电容C₁构成原边谐振回路；接收线圈与补偿电容C₂构成副边串联谐振回路。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：R_e的表达式为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述副边阻抗Z₂的表达式为：

其中，R₂为接收线圈的内阻值，ω为系统工作角频率，L₂为接收线圈的自感值以及C₂为补偿电容C₂的容值；

所述副边阻抗Z₂映射到原边的反馈阻抗Z_r的表达式为：

其中，M为发射线圈和接收线圈的互感值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述系统工作频率与原边和副边的谐振频率一致，具体为：ω²L₂C₂＝ω²L₁C₁＝1；所述反馈阻抗Z_r的表达式简化为：

其中，L₁为发射线圈的自感值；C₁为补偿电容C₁的容值；L₂为接收线圈的自感值；C₂为补偿电容C₂的容值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述原边有功功率P₁与互感值M之间函数关系式为：

其中，I_{1_rms}为发射线圈中谐振电流的有效值，R₁为发射线圈的内阻值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述互感辨识用函数表达式为：

其中，M_est为互感辨识值。

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