CN110429718A - 一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法，包括以下步骤：步骤1：构建PS‑S补偿的拓扑结构；步骤2：通过检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位，计算出互感和负载以及二次侧的电流、电压，完成参数辨识；步骤3：设计恒流/恒压控制方案。本发明通过在检测一次侧电压电流和电流辨识出互感和负载及二次侧电参数，实现系统恒流/恒压控制，此方法无需一、二次侧之间的通信，避免通信延迟对系统动态响应性能的影响。

Description

一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控 制方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体为一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法。

背景技术

无线电能传输技术凭借供电灵活、安全可靠的技术特点，已在便携类电子设备、家用电器、生物医学等多个领域得到实际应用。近年来，也逐渐在电动汽车无线充电应用中展开研究。

典型的电动汽车感应充电系统：在一次侧，单相或三相工频电经过整流后转换成直流电，高频逆变器再将直流电转换成高频交流电，并注入到能量发射线圈所在的谐振网络中；在二次侧，车载线圈通过磁场耦合作用从发射线圈中拾取电能，经由谐振网络、高频整流、滤波后实现向车载电池充电。其中，一次侧与二次侧均配有谐振补偿网络，通过对发射线圈及拾取线圈电感进行调谐，改善功率变换器的功率因数，进而提高整个系统的功率容量及传输效率。

现有文献中关于补偿拓扑及电磁机构优化的方法，可在一定的负载或互感变化范围内提升系统的稳定输出，无需复杂的控制算法，但要解决恒流/恒压充电模式的开关切换、多线圈间的解耦等问题，尤其忽略了电池充电的动态响应性能要求，由开关切换或参数突变导致的较大超调必然会降低电池的使用寿命。为此，设计闭环控制来改善充电过程的动态响应性能是非常必要的。目前，IPT系统闭环控制常以二次侧检测到的电压或电流作为反馈信号，再经无线通信环节将反馈信号传输到一次侧，从而在一次侧执行控制作用，实现系统的恒压或恒流输出，其控制效果依赖于原、副边通信的实时性和准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法，此方法无需一、二次侧之间的通信，也无需增加额外的开关进行恒流/恒压模式的切换。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输装置恒流/恒压控制方法，包括以下步骤：

步骤1：构建PS-S补偿的拓扑结构；

步骤2：通过检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位，计算出互感和负载以及二次侧的电流、电压，完成参数辨识；

步骤3：设计恒流/恒压控制方案。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤1的拓扑结构由接收端、发送端两部分组成；其中发送端包括依次连接的逆变器、电容(Ct)、发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)，其中电容(Ct)并联与发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)串联构成部分的两端；接收端包括依次串接的接收端线圈(Ls)、接收端补偿电容(Cs)、整流桥和负载。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位。

定义与u_i(t)具有相同频率的正弦函数与余弦函数作为两正交的基函数：

其中φ_r是基函数初始相位，其定义以u_i(t)的相位为参考相位。

步骤2.2：将u_i(t)、i_p(t)分别与上述的基函数相乘，变换成：

其中其中Ui表示电压的有效值，Ip表示电流的有效值，φ表示电压Ui和电流Ip的相位差。

步骤2.3：采用低通滤波器分离变换信号中直流分量，并分别定义为：

步骤2.4：联立求得电压Ui和电流Ip的有效值及相位差φ的计算式如下：

步骤2.5：利用检测到的幅值和相位计算互感和负载参数。

发射端线圈与接收端线圈的互感M、等效负载Req、二次侧电流Is及电压Us的计算式如下：

其中， ω表示已知的工作角频率，R_Lp表示发射端线圈Lp的内阻，R_Ls表示接收端线圈Ls的内阻。Ls、Lp均由测量得到，Ct、Cp、Cs由下式计算得到：

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：首先初始化系统参数，设定充电电压及电流的参考值、逆变器的占空比。

步骤3.2：根据一次侧测量的ui、ip值，实时辨识二次侧的充电电压与电流。

步骤3.3：计算电流偏差ei、电压偏差eu、当前负载RL、功率最大点负载Rref、充电截止负载Rm。

步骤3.4：比较当前负载与功率最大点负载，若当前负载小于功率最大点负载，则执行恒流控制模式，恒流PID控制器根据当前的电流偏差计算逆变器的占空比；若当前负载超过功率最大点负载且小于充电截止负载，则执行恒压控制模式，恒压PID控制器根据当前的电压偏差计算逆变器的占空比；在恒压模式下，随着充电电流的逐渐减小，当负载达到充电截止负载值时，则停止充电。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明通过在检测一次侧电压电流和电流辨识出互感和负载及二次侧电参数，实现系统恒流/恒压控制，此方法无需一、二次侧之间的通信，避免通信延迟对系统动态响应性能的影响。

2.本发明通过设计恒流、恒压两套PID控制参数，并基于在一次侧辨识出的输出电压与电流，实时监测系统输出状态，实现对两种模式切换点的判断，无需增加额外的开关进行恒流/恒压模式的切换，有效降低了系统复杂度，降低了成本。

3.本发明的发送端与接收端采用PS-S补偿的拓扑结构，简化了参数。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法的电路图；

图2为本发明一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输装置恒流/恒压控制方法，包括以下步骤：

步骤1：构建PS-S补偿的拓扑结构；

步骤2：通过检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位，计算出互感和负载以及二次侧的电流、电压，完成参数辨识；

步骤3：设计恒流/恒压控制方案。

本实施例中请参阅图1，本发明通过在检测一次侧电压电流和电流辨识出互感和负载及二次侧电参数，实现系统恒流/恒压控制，此方法无需一、二次侧之间的通信，避免通信延迟对系统动态响应性能的影响，本发明通过设计恒流、恒压两套PID控制参数，并基于在一次侧辨识出的输出电压与电流，实时监测系统输出状态，实现对两种模式切换点的判断，无需增加额外的开关进行恒流/恒压模式的切换，有效降低了系统复杂度，降低了成本，本发明的发送端与接收端采用PS-S补偿的拓扑结构，简化了参数。

其中，所述步骤1的拓扑结构由接收端、发送端两部分组成；其中发送端包括依次连接的逆变器、电容(Ct)、发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)，其中电容(Ct)并联与发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)串联构成部分的两端；接收端包括依次串接的接收端线圈(Ls)、接收端补偿电容(Cs)、整流桥和负载。

其中，所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位。

定义与u_i(t)具有相同频率的正弦函数与余弦函数作为两正交的基函数：

其中φ_r是基函数初始相位，其定义以u_i(t)的相位为参考相位。

步骤2.2：将u_i(t)、i_p(t)分别与上述的基函数相乘，变换成：

其中其中Ui表示电压的有效值，Ip表示电流的有效值，φ表示电压Ui和电流Ip的相位差。

步骤2.3：采用低通滤波器分离变换信号中直流分量，并分别定义为：

步骤2.4：联立求得电压Ui和电流Ip的有效值及相位差φ的计算式如下：

步骤2.5：利用检测到的幅值和相位计算互感和负载参数。

发射端线圈与接收端线圈的互感M、等效负载Req、二次侧电流Is及电压Us的计算式如下：

其中， ω表示已知的工作角频率，R_Lp表示发射端线圈Lp的内阻，R_Ls表示接收端线圈Ls的内阻。Ls、Lp均由测量得到，Ct、Cp、Cs由下式计算得到：

其中，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：首先初始化系统参数，设定充电电压及电流的参考值、逆变器的占空比。

步骤3.2：根据一次侧测量的ui、ip值，实时辨识二次侧的充电电压与电流。

步骤3.3：计算电流偏差ei、电压偏差eu、当前负载RL、功率最大点负载Rref、充电截止负载Rm。

步骤3.4：比较当前负载与功率最大点负载，若当前负载小于功率最大点负载，则执行恒流控制模式，恒流PID控制器根据当前的电流偏差计算逆变器的占空比；若当前负载超过功率最大点负载且小于充电截止负载，则执行恒压控制模式，恒压PID控制器根据当前的电压偏差计算逆变器的占空比；在恒压模式下，随着充电电流的逐渐减小，当负载达到充电截止负载值时，则停止充电。

在一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法使用的时候，恒流/恒压控制方法流程图如参照图2，首先初始化系统参数，设定充电电压及电流的参考值、逆变器的占空比，根据一次侧测量的ui、ip值，实时辨识二次侧的充电电压与电流，计算电流偏差ei、电压偏差eu、当前负载RL、功率最大点负载Rref、充电截止负载Rm，比较当前负载与功率最大点负载，若当前负载小于功率最大点负载，则执行恒流控制模式，恒流PID控制器根据当前的电流偏差计算逆变器的占空比；若当前负载超过功率最大点负载且小于充电截止负载，则执行恒压控制模式，恒压PID控制器根据当前的电压偏差计算逆变器的占空比；在恒压模式下，随着充电电流的逐渐减小，当负载达到充电截止负载值时，则停止充电。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法，包括，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：构建PS-S补偿的拓扑结构；

步骤2：通过检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位，计算出互感和负载以及二次侧的电流、电压，完成参数辨识。

步骤3：设计恒流/恒压控制方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法，其特征在于：所述步骤1的拓扑结构由接收端、发送端两部分组成；其中发送端包括依次连接的逆变器、电容(Ct)、发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)，其中电容(Ct)并联与发送端补偿电容(Cp)和发送端线圈(Lp)串联构成部分的两端；接收端包括依次串接的接收端线圈(Ls)、接收端补偿电容(Cs)、整流桥和负载。

3.根据权利要求1所述的一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：

步骤2.1：检测、计算一次侧电压、电流的幅值和相位。

定义与u_i(t)具有相同频率的正弦函数与余弦函数作为两正交的基函数：

其中φ_r是基函数初始相位，其定义以一次侧电压u_i(t)的相位为参考相位。

步骤2.2：已知一次侧瞬时电压与电流的表达式为 将u_i(t)、i_p(t)分别与上述的基函数相乘，变换成：

其中Ui表示电压的有效值，Ip表示电流的有效值，φ表示电压Ui和电流Ip的相位差。

步骤2.3：采用低通滤波器分离出变换信号中直流分量，并分别定义为：

步骤2.4：联立求得电压Ui和电流Ip的有效值及相位差φ的计算式如下：

步骤2.5：利用检测到的幅值和相位计算互感和负载参数。

发射端线圈与接收端线圈的互感M、等效负载Req、二次侧电流Is及电压Us的计算式如下：

其中， ω表示已知的工作角频率，R_Lp表示发射端线圈Lp的内阻，R_Ls表示接收端线圈Ls的内阻。Ls、Lp均由测量得到，Ct、Cp、Cs由下式计算得到：

4.根据权利要求1所述的一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输系统恒流/恒压控制方法，其特征在于：所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：首先初始化系统参数，设定充电电压及电流的参考值、逆变器的占空比。

步骤3.2：根据一次侧测量的ui、ip值，实时辨识二次侧的充电电压与电流。

步骤3.3：计算电流偏差ei、电压偏差eu、当前负载RL、功率最大点负载Rref、充电截止负载Rm。

步骤3.4：比较当前负载与功率最大点负载，若当前负载小于功率最大点负载，则执行恒流控制模式，恒流PID控制器根据当前的电流偏差计算逆变器的占空比；若当前负载超过功率最大点负载且小于充电截止负载，则执行恒压控制模式，恒压PID控制器根据当前的电压偏差计算逆变器的占空比；在恒压模式下，随着充电电流的逐渐减小，当负载达到充电截止负载值时，则停止充电。