CN110549878B - 一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法及系统，属于电动汽车无线电能传输技术领域。所述系统包括DC‑DC变换器、逆变器、发射端耦合机构、接收端耦合机构、整流电路、输出频率采样机构、状态切换单元和脉冲调制模块。所述系统具有高稳定性和高安全性特点。

Description

一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法及 系统

技术领域

本发明涉及一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法及系统，属于电动汽车无线电能传输技术领域。

背景技术

目前电动汽车发展中存在两大瓶颈问题：一个是车上的电池问题——从近期的技术角度看，存在体积、重量、价格、材料、安全、充电速度、寿命等多方面问题，此外电池的生产和使用的循环过程属于高污染、耗费资源、破坏生态环境的过程，这些特点给电动汽车的产业化带来困难；

另一方面是地面上的充电基础设施问题——由于电池材料特性（电能密度、功率密度等）的限制，电池充电时间长且续航里程短，需要大量、高频率的占用充电或换电设施，给市政建设带来很大困难，这些设施需要占用大量的地面面积，且不利于统一管理，运营维护成本高。同时给车辆使用者带来极大的不便。而电动汽车无线供电技术刚好解决了这两大瓶颈问题。

电动汽车动、静态无线供电系统可以使电动汽车无论在停车场、停车位、等红灯以及在公路上行驶过程中，均可以实时供电或者为电池补充电能。该技术不仅可以大幅度甚至无限制的提高车辆的续驶里程，而且车载动力电池的数量也可以大幅度降低，地面上将不再有充电站、换电站。所有供电设施均在地面以下。而且驾驶员不需要再考虑充电问题，电能问题均由地面下的供电网络自动解决。

通行的变流器控制理论，常常采用经典变流器理论进行建模与分析，即采用线性化模型近似代替非线性模型后进行高阶、离散化处理，因而系统常存在混沌状态、震荡效应等问题。但在电动汽车充电静态负载接入与离开过程，尤其是动态无线充电多负载复杂工况条件下，极易出现由负载变化引发的发射端能量传输系统阻抗特性变化，使变流器跳出线型区，此时闭环控制或引发混沌与震荡，造成安全性与稳定性的威胁。

发明内容

本发明为了解决现有变流器控制中稳定性和安全性差的问题，提出了基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法及系统。

一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法，所采取的技术方案如下：

所述方法包括如下步骤：

步骤一：控制所述无线电能传输逆变电源系统软启动，并预置控制初始值；

步骤二：所述输出频率采样机构6对所述逆变器2的输出电能的频率特征参数及其他辅助状态切换单元7的电参数而进行的时域、频域数据预处理，采取如多点平均、数字滤波和离散傅里叶变换等数据处理与特征提取算法。

步骤三：所述状态切换单元7通过对步骤二所述的电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配，有效识别输出负载特性，划分负载所处的功率等级为0，0-10kW，10-20kW，20-80kW，80kW以上五个功率等级。依照功率等级控制逆变源对所述逆变电源进行一级系统工作状态即功率等级判断，所述一级系统工作状态包括待机（低功耗输出）、10kW、20kW和80kW四个等级的输出状态；进入四个等级输出状态的二级系统，输出对应预置参数到脉冲调制模块8，等待下一次所述状态切换单元7进行电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配等的判定。

步骤三：每经过一段略大于所述输出频率采样机构6处理时间的延时后，所述状态切换单元7再次进行电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配，有效识别输出负载特性，划分负载所处的功率等级为0，0-10kW，10-20kW，20-80kW，80kW以上五个功率等级，判定待机（低功耗输出）、10kW、20kW和80kW四个功率等级的输出状态并与现有功率等级比对，输出给四种状态的二级系统，四个二级系统分别有待机（低功耗输出）、10kW、20kW和80kW四个功率等级的输出状态，如判定功率状态与现有状态一致。则不进行逆变源参数调整；若不一致则进行三个状态的直接切换，输出对应预置参数到脉冲调制模块8。

步骤四：当系统进入80kW功率等级的二级系统工作状态后，若在且判定负载功率等级超过80kW，输出过载预警信号；当系统处于待机状态时，外信号给出关机状态，逻辑跳出步骤二与步骤三，切断电源回路，结束逻辑控制过程。

一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪系统，所采取的技术方案如下:

所述系统包括：所述系统包括DC-DC变换器1、逆变器2、发射端耦合机构3、接收端耦合机构4、整流电路5、输出频率采样机构6、状态切换单元7和脉冲调制模块8；所述DC-DC变换器1的电能信号输入端与DC电能输入相连；所述DC-DC变换器1的电能信号输出端与所述逆变器2的电能信号输入端相连；所述发射端耦合机构3的耦合端与所述接收端耦合机构4的耦合端耦合感应相连；所述接收端耦合机构4的电能信号输出端与所述整流电路5的电能信号输入端相连；所述DC-DC变换器1的频率信号输出端与所述输出频率采样机构6的频率信号输入端对应相连；所述输出频率采样机构6的频率数据信号输出端与所述状态切换单元7的频率数据信号输入端相连；所述状态切换单元7的数据信号输出端与所述脉冲调制模块8的数据信号输入端相连；所述脉冲调制模块8的脉冲控制信号输出端与DC-DC变换器1的脉冲控制信号输入端相连。

进一步地，所述DC-DC变换器1包括滤波电路、开关网络机构、高频整流电路和低通滤波电路；所述滤波电路的DC输入端DC-DC变换器1的电能信号输入端；所述滤波电路的滤波后电能输出端与所述开关网络机构的电能信号输入端相连；所述开关网络机构的电能信号输出端与所述高频整流电路的电能信号输入端相连，所述开关网络机构的脉冲控制信号输入端即为DC-DC变换器1的脉冲控制信号输入端；所述高频整流电路的电能信号输出端与所述低通滤波电路的电能信号输入端相连；所述低通滤波电路的频率信号输出端即为所述DC-DC变换器1的频率信号输出端。

进一步地，所述开关网络机构采用IGBT或MOSFET开关管构成的全桥或半桥电路结构。

进一步地，所述高频整流电路采用高频二极管组成的半桥整流电路结构、全桥整流电路结构、组合桥式整流电路结构、H桥芯片整流电路结构或含驱动电路的H桥整流电路结构。

进一步地，所述滤波电路和低通滤波电路均包括电路滤波电路、电感滤波电路以及电路滤波电路和电感滤波电路形成的对应的滤波网络。

进一步地，所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的发射端耦合机构3和接收端耦合机构4，可采用串联谐振、并联谐振或LCL、LCC谐振等拓扑结构。

进一步地，所述脉冲调制模块8包括脉冲宽度调制电路和脉冲幅度调制电路。

本发明有益效果：谐振

1、采用切换控制算法，可在多种负载模式、工况条件下迅速切换，不会发生由超出经典变流器控制区间造成混沌、震荡甚至过流开关管击穿引发的如局部过热、损坏前后级电路等一系列问题。同时提高设备稳定性与安全性。在商品化阶段，高安全和稳定的产品可有效减少产品故障率，减少生产和维修成本。

2、采用多种工作模式，迅速切换，避免传统控制方式开通、关断不及时，大大减少了开关损耗，节约宝贵的能源，提高系统效率，为节能减排与低碳经济贡献一份力量。

3、采用简单、有效的控制流程，兼顾安全性与实用性，在产品后期维护与检修过程中便于系统人员的培训。丰富的状态方程库可针对多种负载进行组合设计，具有较高兼容性与可更新性，可轻松应对复杂的工作模式，达到理想的输出效果。

4、采用闭环控制理论，高效稳定的控制输出电流、电压，可实现恒流、恒压控制等多种电参数控制需求，可满足现有无线电能传输标准互操作性相关要求及对未来标准所需功率的可升级性（扩容），达到一机多用，综合控制的目的。并可对此进行长期优化。

5、基于硬件电路由于谐振式DC-DC变换器具备低纹波的特性，对无线电能传输LC谐振拓扑所需固定频率电能输出的逆变源的输入整流要求降低，因此可降低对两级电路接口要求，在二者间采用直接连接的方式，降低输入滤波电容容值，简化了实际应用中的电路结构，有效节约电源系统的体积和成本。

附图说明

图1 本发明所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的电路拓扑结构图。

图2 本发明所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的控制流程框图。

图3 本发明所述无线电能传输自适应频率跟踪方法的切换控制算法流程图。

图4 本发明所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的DC-DC变换器主电路拓扑。

图5 本发明所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的DC-DC变换电路开关管状态（灰色开通、黑色关断）及电流图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法，如图3所示，

所述方法包括如下步骤：

步骤一：控制所述无线电能传输逆变电源系统软启动，并预置控制初始值；

步骤二：所述输出频率采样机构6对所述逆变器2的输出电能的频率特征参数及其他辅助状态切换单元7的电参数而进行的时域、频域数据预处理，采取如多点平均、数字滤波、离散傅里叶变换等数据处理与特征提取算法。

步骤三：所述状态切换单元7通过对步骤二所述的电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配，有效识别输出负载特性，划分负载所处的功率等级为0，0-10kW，10-20kW，20-80kW，80kW以上五个功率等级。依照功率等级控制逆变源对所述逆变电源进行一级系统工作状态即功率等级判断，所述一级系统工作状态包括待机（低功耗输出）、10kW、20kW和80kW四个等级的输出状态；进入四个等级输出状态的二级系统，输出对应预置参数到脉冲调制模块8，等待下一次所述状态切换单元7进行电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配等的判定。

步骤三：每经过一段略大于所述输出频率采样机构6处理时间的延时后，所述状态切换单元7再次进行电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配，有效识别输出负载特性，划分负载所处的功率等级为0，0-10kW，10-20kW，20-80kW，80kW以上五个功率等级，判定待机（低功耗输出）、10kW、20kW和80kW四个功率等级的输出状态并与现有功率等级比对，输出给四种状态的二级系统，四个二级系统分别有待机（低功耗输出）、10kW、20kW和80kW四个功率等级的输出状态，如判定功率状态与现有状态一致。则不进行逆变源参数调整；若不一致则进行三个状态的直接切换，输出对应预置参数到脉冲调制模块8。

步骤四：当系统进入80kW功率等级的二级系统工作状态后，若在且判定负载功率等级超过80kW，输出过载预警信号；当系统处于待机状态时，外信号给出关机状态，逻辑跳出步骤二与步骤三，切断电源回路，结束逻辑控制过程。

实施例2

一种实现实施例1所述跟踪方法的无线电能传输自适应频率跟踪系统，如图1和图2所示，所述系统包括：所述系统包括DC-DC变换器1、逆变器2、发射端耦合机构3、接收端耦合机构4、整流电路5、输出频率采样机构6、状态切换单元7和脉冲调制模块8；所述DC-DC变换器1的电能信号输入端与DC电能输入相连；所述DC-DC变换器1的电能信号输出端与所述逆变器2的电能信号输入端相连；所述发射端耦合机构3的耦合端与所述接收端耦合机构4的耦合端耦合感应相连；所述接收端耦合机构4的电能信号输出端与所述整流电路5的电能信号输入端相连；所述DC-DC变换器1的频率信号输出端与所述输出频率采样机构6的频率信号输入端对应相连；所述输出频率采样机构6的频率数据信号输出端与所述状态切换单元7的频率数据信号输入端相连；所述状态切换单元7的数据信号输出端与所述脉冲调制模块8的数据信号输入端相连；所述脉冲调制模块8的脉冲控制信号输出端与DC-DC变换器1的脉冲控制信号输入端相连。

其中，所述DC-DC变换器1包括滤波电路、开关网络机构、高频整流电路和低通滤波电路；所述滤波电路的DC输入端DC-DC变换器1的电能信号输入端；所述滤波电路的滤波后电能输出端与所述开关网络机构的电能信号输入端相连；所述开关网络机构的电能信号输出端与所述高频整流电路的电能信号输入端相连，所述开关网络机构的脉冲控制信号输入端即为DC-DC变换器1的脉冲控制信号输入端；所述高频整流电路的电能信号输出端与所述低通滤波电路的电能信号输入端相连；所述低通滤波电路的频率信号输出端即为所述DC-DC变换器1的频率信号输出端。

所述开关网络机构采用IGBT或MOSFET开关管构成的全桥或半桥电路结构，即两两同向串联后的一组或并联端接输入，开关管 C E公共端分别接输出的形式。所述高频整流电路采用高频二极管组成的半桥整流电路结构、全桥整流电路结构、组合桥式整流电路结构、H桥芯片整流电路结构或含驱动电路的H桥整流电路结构。所述滤波电路和低通滤波电路均包括电路滤波电路、电感滤波电路以及电路滤波电路和电感滤波电路形成的对应的滤波网络。

所述输出频率采集电路，包括电流、电压直接采集电路结构或经互感器或霍尔元件采集及其他可对逆变器输出（谐振网络输入）频率参数及其他辅助切换控制算法进行决策所需电参数的采集方法及相应电路。

所述状态切换单元7包括状态切换器和多个状态方程模块，所述多个状态方程模块的频率数据信号输入端即为所述状态切换单元7的频率数据信号输入端；所述多个状态方程的信号输出单与所述状态切换器的信号输入端相连；所述状态切换器的状态信号输出端与所述脉冲调制模块的数据信号输入端相连；所述状态切换器的状态信号输出端即为所述状态切换单元7的数据信号输出端。

所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的发射端耦合机构3和接收端耦合机构4采用无线电能传输谐振网络，所述无线电能传输谐振网络采用串联谐振（电容、电感首尾顺次连接）、并联谐振（电容、电感两端分别连接在一起）或LCL谐振结构存在一个公共节点、形成T型网络拓扑）。所述脉冲调制模块8包括脉冲宽度调制电路和脉冲幅度调制电路。

本实施例所述无线电能传输自适应频率跟踪系统中的DC-DC变换器，可实现由直流电能转化为满足现有功率等级（标准）的电能变换。保留该变换器基于算法改变目标频率及相关信号及功率元件型号（功率等级），转换为《SAE J2954》标准，《电动汽车无线充电系统 一般要求 征求意见函》所述，无线充电电动汽车其他输出功率（3.3kW、6.6kW、11kW、22kW等）的电能变换方式的权利。

工作原理如下：直流电能输入经DC—DC变换电路后达到无线电能传输所需的电流电压要求，经逆变电路变送为高频交流电能，使发射端产生谐振。发射导轨与接收端经过磁场耦合传输电能。接收到的交流电经桥式整流变换为直流电，输送给电动汽车储能及驱动元件，实现电动汽车无线电能传输，电动汽车无线电能传输电路拓扑结构见图1。

利用包括频率信息采样保持、离散化、状态方程运算、切换控制算法、输出脉宽调制信号等基本流程。利用信号采集电路收集到源端输出和接收端反射的综合电参数，对这些信息进行滤波、离散傅里叶变换等多种时域、频域分析方法，提取DC—DC变换器、频率、功率等基本信息，带入数学模型（状态方程组），基于以上参数通过算法决策输出对应负载种类并已调整频率的脉宽调制信号，控制开关管开通、关断，控制变流器平稳运行。见图2，系统控制流程图。

根据划分互操作性有关要求，进行分类合并，将无线充电发射端功率等级划分为10kW，20kW，80kW三个功率等级，预置相关控制参数（经验值），并据此划分功率区间：功率区间A（0-10kW），功率区间B（10-20kW），功率区间C（20-80kW），根据负载结果累计功率值判定所属区间，进行状态切换。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种基于切换控制的无线电能传输自适应频率跟踪方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：控制无线电能传输逆变电源系统软启动，并预置控制初始值；

步骤二：输出频率采样机构（6）对逆变器（2）的输出电能的频率特征参数及其他辅助状态切换单元（7）的电参数通过多点平均、数字滤波和离散傅里叶变换的数据处理与特征提取算法进行时域和频域数据预处理；

步骤三：所述状态切换单元（7）通过对步骤二所述的电参数特征的提取，并将提取结果与预存储的状态方程匹配，得到负载特性的识别输出，并划分负载所处的功率等级为0，0-10kW，10-20kW，20-80kW，80kW以上五个功率等级；依照功率等级控制逆变源对所述逆变电源进行一级系统工作状态判断，即功率等级判断；所述一级系统工作状态包括待机、10kW、20kW和80kW四个等级的输出状态；进入四个等级输出状态的二级系统，输出对应预置参数到脉冲调制模块（8），等待下一次所述状态切换单元（7）进行电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配的判定；

步骤四：每经过一段大于所述输出频率采样机构（6）处理时间的延时后，所述状态切换单元（7）再次进行电参数特征的提取并与预存储的状态方程匹配，有效识别输出负载特性，划分负载所处的功率等级为0，0-10kW，10-20kW，20-80kW，80kW以上五个功率等级，判定待机、10kW、20kW和80kW四个功率等级的输出状态并与现有功率等级比对，输出给四种状态的二级系统，四个二级系统分别有待机、10kW、20kW和80kW四个功率等级的输出状态，如判定功率状态与现有状态一致，则不进行逆变源参数调整；若不一致则进行10kW、20kW和80kW三个状态的直接切换，输出对应预置参数到脉冲调制模块（8）；

步骤五：当系统进入80kW功率等级的二级系统工作状态后，若在且判定负载功率等级超过80kW，输出过载预警信号；当系统处于待机状态时，外信号给出关机状态，逻辑跳出步骤二与步骤三，切断电源回路，结束逻辑控制过程。

2.一种实现权利要求1所述跟踪方法的无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述系统包括：所述逆变器包括DC-DC变换器（1）、逆变器（2）、发射端耦合机构（3）、接收端耦合机构（4）、整流电路（5）、输出频率采样机构（6）、状态切换单元（7）和脉冲调制模块（8）；所述DC-DC变换器（1）的电能信号输入端与DC电能输入相连；所述DC-DC变换器（1）的电能信号输出端与所述逆变器（2）的电能信号输入端相连；所述发射端耦合机构（3）的耦合端与所述接收端耦合机构（4）的耦合端耦合感应相连；所述接收端耦合机构（4）的电能信号输出端与所述整流电路（5）的电能信号输入端相连；所述DC-DC变换器（1）的频率信号输出端与所述输出频率采样机构（6）的频率信号输入端对应相连；所述输出频率采样机构（6）的频率数据信号输出端与所述状态切换单元（7）的频率数据信号输入端相连；所述状态切换单元（7）的数据信号输出端与所述脉冲调制模块（8）的数据信号输入端相连；所述脉冲调制模块（8）的脉冲控制信号输出端与DC-DC变换器（1）的脉冲控制信号输入端相连。

3.根据权利要求2所述无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述DC-DC变换器（1）包括滤波电路、开关网络机构、高频整流电路和低通滤波电路；所述滤波电路的DC输入端与DC-DC变换器（1）的电能信号输入端相连；所述滤波电路的滤波后电能输出端与所述开关网络机构的电能信号输入端相连；所述开关网络机构的电能信号输出端与所述高频整流电路的电能信号输入端相连，所述开关网络机构的脉冲控制信号输入端即为DC-DC变换器（1）的脉冲控制信号输入端；所述高频整流电路的电能信号输出端与所述低通滤波电路的电能信号输入端相连；所述低通滤波电路的频率信号输出端即为所述DC-DC变换器（1）的频率信号输出端。

4.根据权利要求3所述无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述开关网络机构采用IGBT或MOSFET开关管构成的全桥或半桥电路结构。

5.根据权利要求3所述无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述高频整流电路采用高频二极管组成的半桥整流电路结构、全桥整流电路结构、组合桥式整流电路结构、H桥芯片整流电路结构或含驱动电路的H桥整流电路结构。

6.根据权利要求3所述无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述滤波电路和低通滤波电路均包括电路滤波电路、电感滤波电路以及电路滤波电路和电感滤波电路形成的对应的滤波网络。

7.根据权利要求2所述无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述无线电能传输自适应频率跟踪系统的发射端耦合机构（3）和接收端耦合机构（4）采用串联谐振、并联谐振或LCL、LCC谐振拓扑结构。

8.根据权利要求2所述无线电能传输自适应频率跟踪系统，其特征在于，所述脉冲调制模块（8）包括脉冲宽度调制电路和脉冲幅度调制电路。

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