CN110504760A - 一种动态无线电能传输系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态无线电能传输系统控制方法，包括以下步骤：步骤1.在接收线圈远离发射线圈时，接收端中直‑直变换器BC保持输入短路状态，不断获取接收端电流IS；发射端电路保持发射端电流IP为恒定值IP0；步骤2.当接收端检测到电流IS大于阈值IS0时，说明此时接收线圈已经接近发射线圈，启动接收端直‑直变换器BC，获取系统输出电压UO和预先设定的系统参考电压UO*计算主接收端中直‑直变换器下一时刻的占空比Dm。本发明通过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，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。

Description

一种动态无线电能传输系统控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，具体为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的恒定。且在动态移动过程中，通过发射端与接收端的无线通信反馈难以保证控制系统的实时性要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态无线电能传输系统控制方法，解决了背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动态无线电能传输系统控制方法，包括以下步骤：

步骤1.在接收线圈远离发射线圈时，接收端中直-直变换器BC保持输入短路状态，不断获取接收端电流IS；发射端电路保持发射端电流IP为恒定值IP0；

步骤2.当接收端检测到电流IS大于阈值IS0时，说明此时接收线圈已经接近发射线圈，启动接收端直-直变换器BC，获取系统输出电压UO和预先设定的系统参考电压UO*计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Dm；

步骤3.发射端电路获取电流IP，电压UP，计算当前时刻发射端逆变器输出阻抗ZPT；

步骤4.基于所计算的逆变器输出阻抗ZPT，估算当前发射线圈与拾取线圈的互感M；

步骤5.根据所估算的互感M，控制逆变器HP的占空比为；

步骤6.重复步骤1至步骤5，直至系统工作停止。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤2中，计算接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Dm的具体方法为：计算系统输出电压UO与预先设定的系统参考电压UO*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Dm。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤3中，逆变器输出阻抗ZPT的计算公式为：

其中，RPT、XPT分别表示ZPT的实部和虚部，即等效电阻和等效电抗。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤4中，估算当前发射线圈与拾取线圈的互感M的具体方法如下：

记接收端从整流器R输入端看过去的等效负载电阻为RLeq，根据系统预先设定的输出功率PO*和输出电压UO*，可以表示为：

接收端在发射端的反射阻抗ZR可以表示为：

其中，XS为接收端线圈自感LS与接收端谐振电容CS的等效阻抗；

则逆变器输出阻抗ZPT可以由M和RLeq表示为：

根据预先设定的系统参数，可以生成一个关于标准和的查询表。该表由不同的M和RLeq预先计算得到。在该查询表中，将和与实际计算得到的R_PT和X_PT进行比较，找出与实际计算得到的R_PT和X_PT最相近的和将和所对应的M作为所估算的互感M。

一种动态无线电能传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的直流电源E、全桥逆变器HP、依次相连的发射线圈Lp、谐振补偿电容Cp，发射端控制器KP与全桥逆变器HP相连；接收端包括依次相连的接收线圈Ls、谐振补偿电容Cs、整流器R、整流滤波电容Cr、直-直变换器BC、直流滤波电容Cd，接收端控制器KS与直-直变换器BC相连；

逆变器HP输出端并联有高频电压传感器UP，发射线圈Lp与逆变器HP之间连接有高频交流电流传感器IP；

接收线圈Ls与整流器R之间连接有高频交流电流传感器IS，负载R上并联有直流电压传感器UO；

高频电压传感器UP、高频交流电流传感器IP的输出端与发射端控制器KP相连；

高频交流电流传感器IS、直流电压传感器UO的输出端与发射端控制器KS相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

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。

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为本发明实施例中的电路结构图.

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，本发明提供一种技术方案：一种动态无线电能传输系统控制方法，包括以下步骤：

步骤1.在接收线圈远离发射线圈时，接收端中直-直变换器BC保持输入短路状态，不断获取接收端电流IS；发射端电路保持发射端电流IP为恒定值IP0；

步骤2.当接收端检测到电流IS大于阈值IS0时，说明此时接收线圈已经接近发射线圈，启动接收端直-直变换器BC，获取系统输出电压UO和预先设定的系统参考电压UO*计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Dm；

步骤3.发射端电路获取电流IP，电压UP，计算当前时刻发射端逆变器输出阻抗ZPT；

步骤4.基于所计算的逆变器输出阻抗ZPT，估算当前发射线圈与拾取线圈的互感M；

步骤5.根据所估算的互感M，控制逆变器HP的占空比为；

步骤6.重复步骤1至步骤5，直至系统工作停止。

本实施例中请参阅图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，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。

其中，所述步骤2中，计算接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Dm的具体方法为：计算系统输出电压UO与预先设定的系统参考电压UO*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Dm。

其中，所述步骤3中，逆变器输出阻抗ZPT的计算公式为：

其中，RPT、XPT分别表示ZPT的实部和虚部，即等效电阻和等效电抗。

其中，所述步骤3中，逆变器输出阻抗ZPT的计算公式为：

其中，RPT、XPT分别表示ZPT的实部和虚部，即等效电阻和等效电抗。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤4中，估算当前发射线圈与拾取线圈的互感M的具体方法如下：

记接收端从整流器R输入端看过去的等效负载电阻为RLeq，根据系统预先设定的输出功率PO*和输出电压UO*，可以表示为：

接收端在发射端的反射阻抗ZR可以表示为：

其中，XS为接收端线圈自感LS与接收端谐振电容CS的等效阻抗；

则逆变器输出阻抗ZPT可以由M和RLeq表示为：

根据预先设定的系统参数，可以生成一个关于标准和的查询表。该表由不同的M和RLeq预先计算得到。在该查询表中，将和与实际计算得到的R_PT和X_PT进行比较，找出与实际计算得到的R_PT和X_PT最相近的和将和所对应的M作为所估算的互感M。

一种动态无线电能传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的直流电源E、全桥逆变器HP、依次相连的发射线圈Lp、谐振补偿电容Cp，发射端控制器KP与全桥逆变器HP相连；接收端包括依次相连的接收线圈Ls、谐振补偿电容Cs、整流器R、整流滤波电容Cr、直-直变换器BC、直流滤波电容Cd，接收端控制器KS与直-直变换器BC相连；

逆变器HP输出端并联有高频电压传感器UP，发射线圈Lp与逆变器HP之间连接有高频交流电流传感器IP；

接收线圈Ls与整流器R之间连接有高频交流电流传感器IS，负载R上并联有直流电压传感器UO；

高频电压传感器UP、高频交流电流传感器IP的输出端与发射端控制器KP相连；

高频交流电流传感器IS、直流电压传感器UO的输出端与发射端控制器KS相连。

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 (5)

1.一种动态无线电能传输系统控制方法，包括以下步骤：

步骤1.在接收线圈远离发射线圈时，接收端中直-直变换器BC保持输入短路状态，不断获取接收端电流IS；发射端电路保持发射端电流IP为恒定值IP0；

步骤2.当接收端检测到电流IS大于阈值IS0时，说明此时接收线圈已经接近发射线圈，启动接收端直-直变换器BC，获取系统输出电压UO和预先设定的系统参考电压UO*计算主接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Dm；

步骤3.发射端电路获取电流IP，电压UP，计算当前时刻发射端逆变器输出阻抗ZPT；

步骤4.基于所计算的逆变器输出阻抗ZPT，估算当前发射线圈与拾取线圈的互感M；

步骤5.根据所估算的互感M，控制逆变器HP的占空比为；

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控制方法，其特征在于：所述步骤2中，计算接收端中直-直变换器下一时刻的占空比Dm的具体方法为：计算系统输出电压UO与预先设定的系统参考电压UO*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Dm。

3.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统控制方法，其特征在于：所述步骤3中，逆变器输出阻抗ZPT的计算公式为：

其中，RPT、XPT分别表示ZPT的实部和虚部，即等效电阻和等效电抗。

4.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统控制方法，其特征在于：所述步骤4中，估算当前发射线圈与拾取线圈的互感M的具体方法如下：

记接收端从整流器R输入端看过去的等效负载电阻为RLeq，根据系统预先设定的输出功率PO*和输出电压UO*，可以表示为：

接收端在发射端的反射阻抗ZR可以表示为：

其中，XS为接收端线圈自感LS与接收端谐振电容CS的等效阻抗；

则逆变器输出阻抗ZPT可以由M和RLeq表示为：

根据预先设定的系统参数，可以生成一个关于标准和的查询表。该表由不同的M和RLeq预先计算得到。在该查询表中，将和与实际计算得到的R_PT和X_PT进行比较，找出与实际计算得到的R_PT和X_PT最相近的和将和所对应的M作为所估算的互感M。

5.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统，包括发射端和接收端，发射端包括依次连接的直流电源E、全桥逆变器HP、依次相连的发射线圈Lp、谐振补偿电容Cp，发射端控制器KP与全桥逆变器HP相连；接收端包括依次相连的接收线圈Ls、谐振补偿电容Cs、整流器R、整流滤波电容Cr、直-直变换器BC、直流滤波电容Cd，接收端控制器KS与直-直变换器BC相连；

逆变器HP输出端并联有高频电压传感器UP，发射线圈Lp与逆变器HP之间连接有高频交流电流传感器IP；

接收线圈Ls与整流器R之间连接有高频交流电流传感器IS，负载R上并联有直流电压传感器UO；

高频电压传感器UP、高频交流电流传感器IP的输出端与发射端控制器KP相连；

高频交流电流传感器IS、直流电压传感器UO的输出端与发射端控制器KS相连。