CN110829615A - 一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法，属于无线充电系统技术领域。所述方法基于LCL‑S补偿拓扑建立磁耦合无线充电系统的电路模型，得到互感值与系统电路参数的函数关系，从而实现互感值的在线估计。在分析磁耦合机构的位置偏移与互感值的特性曲线基础上，结合在线估计的互感值，通过扰动观测法实现磁耦合机构位置的自对准。

Description

一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动 对准方法

技术领域

本发明涉及一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法，属于无线充电系统技术领域。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术作为近年来新兴的电能传输技术，由于其自动化且非接触特性，受到国内外科研机构和公司的密切关注。无线充电系统通过空间磁场将能量从发射线圈传输(原边部分)到接收线圈(副边部分)，经过接收端电路调节后实现非接触充电。基于磁耦合无线电能传输技术的理论及关键技术深入研究，极大地推动了该技术在电动车、便携式设备、医疗设备及特殊环境(易燃易爆)等广泛领域的应用进程。

无线充电系统具备灵活性和便捷性特点，发射线圈(原边部分)和接收线圈(副边部分)不可避免的存在水平或者垂直偏移，从而导致位置的不对准。偏移影响系统传输功率和传输效率，严重情况将会导致系统效率较低或者无法正常工作。因此，磁耦合机构的位置对准技术是保证磁耦合无线充电系统高性能且可靠与稳定运行的关键技术之一。

目前，国内外学者围绕发射线圈与接收线圈的偏移问题展开了相关研究。但是现有的磁耦合无线充电系统用偏移解决方法要么对系统参数设计要求苛刻，要么需要复杂的补偿拓扑，要么需要额外的硬件电路和控制算法。这些方法仅仅提高了系统偏移容忍度(偏移容忍度是指偏移适应能力，偏移容忍度越大，表明系统的抗偏移能力越强。真正意义上的位置对准指的是发生偏移之后，系统是否具备位置对准的功能，即在偏移的基础上，进行零点(正对)位置校正)，并未从根本上解决发射线圈与接收线圈的位置对准问题。

发明内容

本发明为了解决现有方法无法从根本上解决发射线圈与接收线圈的位置对准问题，提出了一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法，所述方法基于LCL-S补偿拓扑建立磁耦合无线充电系统的电路模型，得到互感值与系统电路参数的函数关系，从而实现互感值的在线估计。在分析磁耦合机构的位置偏移与互感值的特性曲线基础上，结合在线估计的互感值，通过扰动观测法实现磁耦合机构位置的自对准。本发明所采取的技术方案如下：

一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法，所述方法包括：

步骤1：测量并记录磁耦合机构的接收线圈和发射线圈位置完全对准时的互感值M_a，以互感值M_a作为接收线圈和发射线圈位置完全对准的依据；

步骤2：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，分别获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型；

步骤3：测量原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}、补偿电容两端电压U_{c1_rms}以及原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}与补偿电容两端电压U_{c1_rms}之间的相位差α；利用原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}、补偿电容两端电压U_{c1_rms}以及原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}与补偿电容两端电压U_{c1_rms}之间的相位差α确定系统传输到副边电路的有功功率P₁，所述系统传输到副边电路的有功功率P₁为：

P₁＝I_{1_rms}U_{c1_rms} cosα

步骤4：并利用步骤1获得的等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型对互感值进行在线估计，进而建立系统原边参数与互感值的函数关系；所述系统原边参数与互感值的函数关系为即为在线估计的互感值，所述在线估计的互感值为：

其中，ω为系统角频率；I_{1_rms}为原边电路的发射线圈中谐振电流有效值；R_o为等效负载电阻；P₁为系统传输到副边电路的有功功率；R₁为原边线圈内阻；

步骤5：利用磁场仿真软件分析磁耦合机构偏移与互感值之间的关系，得到磁耦合机构的偏移与互感值关系曲线；

步骤6：结合步骤4获得的所述在线估计的互感值和步骤5获得的所述磁耦合机构的偏移与互感值关系曲线，利用扰动观测法控制可移动发射线圈，实现所述磁耦合无线充电传输系统的发射线圈与接收线圈的位置自动对准。

进一步地，步骤1所述获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型的具体过程为：

第一步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边全桥整流/容性滤波电路的等效输入电阻R_e的表达式为：

其中，通过实时采集副边的充电电流I_o和充电电压U_o，计算U_o/I_o可得等效负载电阻R_o。

第二步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边电路的阻抗Z₂表达式为：

其中，R₂为副边线圈内阻，ω为系统角频率，L₂为副边线圈自感和C₂为副边谐振电容。

第三步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边电路的阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r表达式为：

第四步：根据系统工作频率与原边电路和副边电路的谐振频率一致的原则，将反馈阻抗Z_r表达式简化为：

其中，系统工作频率与原边电路和副边电路的谐振频率一致的原则对应的公式关系为ω²L₂C₂＝ω²L₁C₁＝1。

进一步地，步骤6所述实现所述磁耦合无线充电传输系统的发射线圈与接收线圈的位置自动对准的具体过程为：

第1步：判断M_{est_d}(0)是否等于所述互感值M_a，其中，M_{est_d}(0)表示发射线圈与接收线圈初始位置对应的在线估计互感值；如果M_{est_d}(0)＝M_a，则说明发射线圈与接收线圈的位置对准，自动对准结束；

第2步：如M_{est_d}(0)≠M_a，则启动磁耦合无线充电传输系统中的x和y轴方向移动滑台；

第3步：进行x轴方向移动对准运动，将所述移动滑台沿x轴方向移动，并判断互感值M_{est_d}[(k+1)x]与M_{est_d}[kx]之间的大小关系，如果M_{est_d}[(k+1)x]＜M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台向x轴的相反方向移动；如果M_{est_d}[(k+1)x]＞M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台按照此时向x轴方向进行移动；重复执行此步骤直至M_{est_d}[(k+1)x]＝M_{est_d}[kx]，当M_{est_d}[(k+1)x]＝M_{est_d}[kx]时，x轴方向的自动位置对准完成；其中，M_{est_d}[(k+1)x]表示在x轴方向的第[(k+1)x]次移动后对应的互感值，M_{est_d}[kx]表示在x轴方向的第[kx]次移动后对应的互感值；

第4步：进行y轴方向移动对准运动，将所述移动滑台沿y轴方向移动，并判断互感值M_{est_d}[(k+1)y]与M_{est_d}[ky]之间的大小关系，如果M_{est_d}[(k+1)y]＜M_{est_d}[ky]，则将所述移动滑台向y轴的相反方向移动；如果M_{est_d}[(k+1)x]＞M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台按照此时向y轴方向进行移动；重复执行此步骤直至M_{est_d}[(k+1)y]＝M_{est_d}[ky]，当M_{est_d}[(k+1)y]＝M_{est_d}[ky]时，表明接收线圈和发射线圈的位置完全对准；其中，M_{est_d}[(k+1)y]表示在x轴方向的第[(k+1)y]次移动后对应的互感值，M_{est_d}[ky]表示在x轴方向的第[ky]次移动后对应的互感值。

本发明有益效果：

本发明提出的一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法与现有方法相比，优势在于：无需繁琐的系统参数设计和复杂的补偿拓扑，仅仅需要具备x轴和y轴移动能力的滑台以及简单的控制算法即可实现发射线圈与接收线圈。所述对准方法过程简单，极大程度上降低了控制复杂度。本发明提出的算法运算量少，实现难度小，运算时间短且误差较小。此外，该方法能够快速准确的实现发射线圈与接收线圈的位置自对准，最大限度保证系统功率传输性能、系统效率和系统可靠性，极大地提高方法在电动车，手机及AGV等无线充电场合的实用性。

附图说明

图1为本发明所述自动对准方法流程图；

图2为本发明所述磁耦合无线充电传输系统的系统电路拓扑图；

图3为圆形磁耦合机构的在线互感估计结果示意图；

图4为圆形磁耦合机构的位置自对准过程曲线图。

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：

一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法，其中，所述磁耦合无线充电传输系统采用圆形磁耦合机构，如图1所示，所述方法包括：

步骤1：测量并记录磁耦合机构的接收线圈和发射线圈位置完全对准时的互感值M_a，以互感值M_a作为接收线圈和发射线圈位置完全对准的依据；

步骤2：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，分别获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型；

步骤3：测量原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}、补偿电容两端电压U_{c1_rms}以及原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}与补偿电容两端电压U_{c1_rms}之间的相位差α；利用原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}、补偿电容两端电压U_{c1_rms}以及原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}与补偿电容两端电压U_{c1_rms}之间的相位差α确定系统传输到副边电路的有功功率P₁，所述系统传输到副边电路的有功功率P₁为：

P₁＝I_{1_rms}U_{c1_rms} cosα

步骤4：并利用步骤1获得的等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型对互感值进行在线估计，进而建立系统原边参数与互感值的函数关系；所述系统原边参数与互感值的函数关系为即为在线估计的互感值，所述在线估计的互感值为：

其中，ω为系统角频率；I_{1_rms}为原边电路的发射线圈中谐振电流有效值；R_o为等效负载电阻；P₁为系统传输到副边电路的有功功率；R₁为原边线圈内阻；

步骤5：利用磁场仿真软件分析磁耦合机构偏移与互感值之间的关系，得到磁耦合机构的偏移与互感值关系曲线；

步骤6：结合步骤4获得的所述在线估计的互感值和步骤5获得的所述磁耦合机构的偏移与互感值关系曲线，利用扰动观测法控制可移动发射线圈，实现所述磁耦合无线充电传输系统的发射线圈与接收线圈的位置自动对准。

步骤1所述获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型的具体过程为：

第一步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边全桥整流/容性滤波电路的等效输入电阻R_e的表达式为：

其中，通过实时采集副边的充电电流I_o和充电电压U_o，计算U_o/I_o可得等效负载电阻R_o。

第二步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边电路的阻抗Z₂表达式为：

其中，R₂为副边线圈内阻，ω为系统角频率，L₂为副边线圈自感和C₂为副边谐振电容。

第三步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边电路的阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r表达式为：

第四步：根据系统工作频率与原边电路和副边电路的谐振频率一致的原则，将反馈阻抗Z_r表达式简化为：

其中，系统工作频率与原边电路和副边电路的谐振频率一致的原则对应的公式关系为ω²L₂C₂＝ω²L₁C₁＝1。

步骤6所述实现所述磁耦合无线充电传输系统的发射线圈与接收线圈的位置自动对准的具体过程为：

第1步：判断M_{est_d}(0)是否等于所述互感值M_a，其中，M_{est_d}(0)表示发射线圈与接收线圈初始位置对应的在线估计互感值；如果M_{est_d}(0)＝M_a，则说明发射线圈与接收线圈的位置对准，自动对准结束；

第2步：如M_{est_d}(0)≠M_a，则启动磁耦合无线充电传输系统中的x和y轴方向移动滑台；

第3步：进行x轴方向移动对准运动，将所述移动滑台沿x轴方向移动，并判断互感值M_{est_d}[(k+1)x]与M_{est_d}[kx]之间的大小关系，如果M_{est_d}[(k+1)x]＜M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台向x轴的相反方向移动；如果M_{est_d}[(k+1)x]＞M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台按照此时向x轴方向进行移动；重复执行此步骤直至M_{est_d}[(k+1)x]＝M_{est_d}[kx]，当M_{est_d}[(k+1)x]＝M_{est_d}[kx]时，x轴方向的自动位置对准完成；其中，M_{est_d}[(k+1)x]表示在x轴方向的第[(k+1)x]次移动后对应的互感值，M_{est_d}[kx]表示在x轴方向的第[kx]次移动后对应的互感值；

第4步：进行y轴方向移动对准运动，将所述移动滑台沿y轴方向移动，并判断互感值M_{est_d}[(k+1)y]与M_{est_d}[ky]之间的大小关系，如果M_{est_d}[(k+1)y]＜M_{est_d}[ky]，则将所述移动滑台向y轴的相反方向移动；如果M_{est_d}[(k+1)x]＞M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台按照此时向y轴方向进行移动；重复执行此步骤直至M_{est_d}[(k+1)y]＝M_{est_d}[ky]，当M_{est_d}[(k+1)y]＝M_{est_d}[ky]时，表明接收线圈和发射线圈的位置完全对准；其中，M_{est_d}[(k+1)y]表示在x轴方向的第[(k+1)y]次移动后对应的互感值，M_{est_d}[ky]表示在x轴方向的第[ky]次移动后对应的互感值。

本实施例中，以LCL-S补偿的磁耦合无线充电系统进行介绍，如图2所示，原边电路为LCL补偿及副边电路为串联(s)补偿的磁耦合机构无线充电系统，针对其他形式的拓扑，仅需要根据系统模型建立互感值与系统参数之间函数关系，同样能够采用该方法进行磁耦合机构的位置自对准。

如图2可知，在原边电路部分，直流电压源U_bus提供整体无线充电系统的电能输入。开关管Q₁～Q₄组成原边电路的全桥逆变电路，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。原边电路的串联电感L_1p、发射线圈L₁与谐振电容C₁构成原边LCL谐振回路；副边电路的接收线圈L₂与谐振电容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/容性滤波电路后，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，本实施例所设计电路参数满足如下关系式：

系统中所涉及电路参数(也即L_1p，L₁，C₁，R₁，L₂，C₂，R₂，R_o)均为系统设计之初的已知量，并且在运行过程中的变化可忽略不计，即在系统运行过程中视上述参数为恒定值；同时，I_{1_rms}和P_o可测量。需要强调：系统工作频率可以为任何满足磁耦合无线充电系统工作的数值，这里选用常用于电动车无线充电系统的工作频率(85kHz)，以便说明本发明所提出的算法的合理性。

为进一步验证本发明的可行性与有效性，基于MATLAB/Simulink软件建立真模型，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中实测数据进行设置，如表1所示。

表1磁耦合无线电能传输系统仿真与实验参数

为验证算法的可行性与有效性，对表1中数据进行仿真分析，得到的结果如图3～4所示。

图3中的曲线为互感值变化(由16.5μH变为14μH)时，本发明所提出的算法能够快速且高效的估计互感值(16.54μH变为14.08μH)，验证本发明提出的在线互感估计算法的合理性。图4表明基于扰动观测法控制的发射线圈首先在x轴方向搜索在线估计的互感值的最大值M_{x_max}，在搜到M_{x_max}后；发射线圈沿着x轴方向搜索在线估计的互感值的最大值M_{y_max}，当搜到M_{y_max}时，发射线圈与接收线圈实现位置自对准。通过实验验证本发明提出的磁耦合机构的位置自对准的合理性与可行性。

因此，由图3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，由本发明提出的算法可实时估计互感值。由图4可知，基于扰动观测法控制可移动发射线圈，能够实现磁耦合机构的位置自对准，进一步验证本发明的可行性与有效性。

综上所述，本实例以LCL-S补偿的磁耦合无线充电系统为例，提出一种磁耦合机构的位置自对准方法，无需繁琐的系统参数设计和复杂的补偿拓扑，仅仅需要具备x轴和y轴移动能力的滑台以及简单的控制算法，系统结构简单，控制复杂度较低。本发明提出的算法运算量少，实现难度小，运算时间短且误差较小。此外，该方法能够实现发射线圈与接收线圈的位置自对准，最大限度保证系统功率传输性能、系统效率和系统可靠性，极大地提高方法在电动车，手机及AGV等无线充电场合的实用性。

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 (3)

1.一种应用于磁耦合无线充电传输系统的磁耦合机构位置自动对准方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：测量并记录磁耦合机构的接收线圈和发射线圈位置完全对准时的互感值M_a，以互感值M_a作为接收线圈和发射线圈位置完全对准的依据；

步骤2：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，分别获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型；

步骤3：测量原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}、补偿电容两端电压U_{c1_rms}以及原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}与补偿电容两端电压U_{c1_rms}之间的相位差α；

利用原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}、补偿电容两端电压U_{c1_rms}以及原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}与补偿电容两端电压U_{c1_rms}之间的相位差α确定系统传输到副边电路的有功功率P₁，所述系统传输到副边电路的有功功率P₁为：

P₁＝I_{1_rms}U_{c1_rms}cosα

步骤4：并利用步骤1获得的等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型对互感值进行在线估计，获得在线估计的互感值为：

其中，ω为系统角频率；I_{1_rms}为原边电路的发射线圈中谐振电流有效值；R_o为等效负载电阻；P₁为系统传输到副边电路的有功功率；R₁为原边线圈内阻；

步骤5：利用磁场仿真软件分析磁耦合机构偏移与互感值之间的关系，得到磁耦合机构的偏移与互感值关系曲线；

步骤6：结合步骤4获得的所述在线估计的互感值和步骤5获得的所述磁耦合机构的偏移与互感值关系曲线，利用扰动观测法控制可移动发射线圈，实现所述磁耦合无线充电传输系统的发射线圈与接收线圈的位置自动对准。

2.根据权利要求1所述自动对准方法，其特征在于，步骤1所述获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和反馈阻抗Z_r的模型的具体过程为：

第一步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边全桥整流/容性滤波电路的等效输入电阻R_e的表达式为：

其中，通过实时采集副边的充电电流I_o和充电电压U_o，计算U_o/I_o可得等效负载电阻R_o；

第二步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边电路的阻抗Z₂表达式为：

其中，R₂为副边线圈内阻，ω为系统角频率，L₂为副边线圈自感和C₂为副边谐振电容；

第三步：根据LCL-S补偿的磁耦合充电传输系统的拓扑结构，确定副边电路的阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r表达式为：

第四步：根据系统工作频率与原边电路和副边电路的谐振频率一致的原则，将反馈阻抗Z_r表达式简化为：

其中，系统工作频率与原边电路和副边电路的谐振频率一致的原则对应的公式关系为ω²L₂C₂＝ω²L₁C₁＝1。

3.根据权利要求1所述自动对准方法，其特征在于，步骤6所述实现所述磁耦合无线充电传输系统的发射线圈与接收线圈的位置自动对准的具体过程为：

第1步：判断M_{est_d}(0)是否等于所述互感值M_a，其中，M_{est_d}(0)表示发射线圈与接收线圈初始位置对应的在线估计互感值；如果M_{est_d}(0)＝M_a，则说明发射线圈与接收线圈的位置对准，自动对准结束；

第2步：如M_{est_d}(0)≠M_a，则启动磁耦合无线充电传输系统中的x和y轴方向移动滑台；

第3步：进行x轴方向移动对准运动，将所述移动滑台沿x轴方向移动，并判断互感值M_{est_d}[(k+1)x]与M_{est_d}[kx]之间的大小关系，如果M_{est_d}[(k+1)x]＜M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台向x轴的相反方向移动；如果M_{est_d}[(k+1)x]＞M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台按照此时向x轴方向进行移动；重复执行此步骤直至M_{est_d}[(k+1)x]＝M_{est_d}[kx]，当M_{est_d}[(k+1)x]＝M_{est_d}[kx]时，x轴方向的自动位置对准完成；其中，M_{est_d}[(k+1)x]表示在x轴方向的第[(k+1)x]次移动后对应的互感值，M_{est_d}[kx]表示在x轴方向的第[kx]次移动后对应的互感值；

第4步：进行y轴方向移动对准运动，将所述移动滑台沿y轴方向移动，并判断互感值M_{est_d}[(k+1)y]与M_{est_d}[ky]之间的大小关系，如果M_{est_d}[(k+1)y]＜M_{est_d}[ky]，则将所述移动滑台向y轴的相反方向移动；如果M_{est_d}[(k+1)x]＞M_{est_d}[kx]，则将所述移动滑台按照此时向y轴方向进行移动；重复执行此步骤直至M_{est_d}[(k+1)y]＝M_{est_d}[ky]，当M_{est_d}[(k+1)y]＝M_{est_d}[ky]时，表明接收线圈和发射线圈的位置完全对准；其中，M_{est_d}[(k+1)y]表示在x轴方向的第[(k+1)y]次移动后对应的互感值，M_{est_d}[ky]表示在x轴方向的第[ky]次移动后对应的互感值。

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