CN110867973A - 一种静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种静态‑动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法，属于无线电能传输技术领域。所述方法基于SS补偿拓扑建立磁耦合无线电能传输系统电路模型，得到互感值与相关电路参数间的关系模型，在此基础上，通过关系模型完成在线/离线的互感辨识。本发明所述方法具有运算时间短、误差较小等特点。

Description

一种静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨 识方法

技术领域

本发明涉及一种静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术是一种新兴的电能传输技术，收到国内外科研机构和公司的密切关注。具体而言，磁耦合无线电能传输技术作为诸多无线电能传输技术研究中的热点，可进一步分为静态和动态磁耦合无线电能传输技术。其中，静态无线电能传输技术主要应于能量接收端(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；动态无线电能传输技术主要应于能量接收端(副边部分)相对于能量发射端(原边部分)位置不固定的设备充电。基于对静态和动态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。

由于无线电能传输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或垂直偏移。偏移直接影响磁耦合机构的互感值，从而进一步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甚至无法正常工作。因此，磁耦合机构的互感参数辨识技术是保证磁耦合无线电能传输系统高性能运行的关键技术问题之一。

目前，已有部分国内外学者围绕互感辨识问题展开了相关研究。但是，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。

发明内容

本发明为了解决现有互感辨别算法的复杂度高且耗时多，对系统参数要求苛刻，且误差较大的问题，通过对磁耦合无线电能传输系统的互感辨识方法进行分析后，提出一种静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线/离线互感辨识方法。该方法主要基于SS补偿拓扑建立磁耦合无线电能传输系统电路模型，得到互感值与相关电路参数间的关系模型，在此基础上，通过求解关系模型对应的方程完成在线/离线的互感辨识。所采取的技术方案如下：

步骤一：所述无线电能传输系统为SS补偿的磁耦合无线电能传输系统，原边电路中的发射线圈L₁与谐振电容C₁串联构成了原边串联谐振回路；副边电路中的接收线圈L₂与谐振电容C₂串联构成了副边串联谐振回路；M为原边电路的发射线圈和副边电路的接收线圈之间互感值；系统能量通过原边电路的发射线圈传输到副边电路的接收线圈，经过副边电路的全桥整流/滤波电路后，为系统负载提供电能；根据系统电路模型得到负载电阻R_o，原边线圈内阻R₁，互感值M，原边线圈自感值L₁及系统工作角频率ω之间的函数关系；

步骤二：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，分别获取等效负载电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r的模型；

步骤三：测量原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}，结合反馈阻抗Z_r和原边线圈内阻R₁，获得系统传输到副边电路的有功功率；所述系统传输到副边电路的有功功率为：

步骤四：利用步骤三所述系统传输到副边电路的有功功率P₁和步骤二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模型为：

步骤五：利用在线估计的互感值模型实现静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线的互感辨识。

进一步地，步骤二所述获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r的模型的具体过程为：

第一步：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路的全桥整流/滤波电路的等效负载电阻R_e的表达式为：

其中，R_o为负载电阻，U_o为充电电压，I_o为充电电流；

步骤三：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路阻抗Z₂表达式为：

其中，R₂为副边线圈内阻，ω为系统工作角频率，L₂为副边线圈自感以及C₂为副边谐振电容的容值；

第二步：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r表达式为：

第三步：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。

本发明有益效果：

本发明提出的静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法无需增加任何额外的硬件电路及相应的控制电路，系统能够工作在系统谐振频率，并且SS补偿结构时磁耦合无线电能传输系统中较为常用的补偿拓扑，结构简单，控制复杂度低。同时，本发明所述静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法的算法结构及流程的复杂度低，同时所述算法的运算时间短且误差较小。此外，该方法通过整体算法的流程结构不仅能够实现离线状态下的互感值辨识，还能够实现动态无线电能传输系统的互感值辨识，极大地提高方法的实用性。

附图说明

图1为本发明所述SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的电路拓扑图；

图2为本发明所述互感辨识方法的流程图；

图3为不同类型(数组A)磁耦合机构的互感辨识结果；

图4为为不同类型(数组B)磁耦合机构的互感辨识结果；

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：

一种静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法，所述方法包括：

步骤一：所述无线电能传输系统为SS补偿的磁耦合无线电能传输系统，原边电路中的发射线圈L₁与谐振电容C₁串联构成了原边串联谐振回路；副边电路中的接收线圈L₂与谐振电容C₂串联构成了副边串联谐振回路；M为原边电路的发射线圈和副边电路的接收线圈之间互感值；系统能量通过原边电路的发射线圈传输到副边电路的接收线圈，经过副边电路的全桥整流/滤波电路后，为系统负载提供电能；根据系统电路模型得到负载电阻R_o，原边线圈内阻R₁，互感值M，原边线圈自感值L₁及系统工作角频率ω之间的函数关系；

步骤二：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，分别获取等效负载电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r的模型；

步骤三：测量原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}，结合反馈阻抗Z_r和原边线圈内阻R₁，获得系统传输到副边电路的有功功率；所述系统传输到副边电路的有功功率为：

步骤四：利用步骤三所述系统传输到副边电路的有功功率P₁和步骤二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模型为：

步骤五：利用在线估计的互感值模型实现静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线的互感辨识。

步骤二所述获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r的模型的具体过程为：

第一步：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路的全桥整流/滤波电路的等效负载电阻R_e的表达式为：

其中，R_o为负载电阻，U_o为充电电压，I_o为充电电流；

步骤三：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路阻抗Z₂表达式为：

其中，R₂为副边线圈内阻，ω为系统工作角频率，L₂为副边线圈自感以及C₂为副边谐振电容的容值；

第二步：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r表达式为：

第三步：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。

如图1所示，本实施例以SS补偿的磁耦合无线电能传输系统为基础，原边及副本电路均为串联补偿形式的磁耦合机构无线电能传输系统拓扑，针对其他形式的拓扑，仅需要根据系统模型建立跟参数间的函数关系，也同样能够采用该方法进行互感值辨识。

由图1可知，在原边电路部分，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。原边电路的发射线圈L₁与谐振电容C₁串联构成原边串联谐振回路；副边电路的接收线圈L₂与谐振电容C₂串联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：

此外，此处需要强调：系统中所涉及电路参数(也即L₁，C₁，R₁，L₂，C₂，R₂，R_o，I_{1_rms}和P_o)均为可测量，并且在运行过程中的变化可忽略不计，也即在系统运行过程中视上述参数为恒定值。此外，还需要强调的是，系统工作频率可以为任何满足磁耦合无线电能传输系统工作的数值，这里选用常用于电动车无线电能传输系统的工作频率(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仿真软件建立的如图1所示的仿真模型，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

为验证算法在不同系统参数下均有效，对表1中三组数据进行仿真分析，得到的互感值结果如图3～4所示。其中，图3中的曲线为互感值动态变化(由20μH变为10μH)时，本发明所提出的算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算法的合理性。图4中的曲线为互感值动态变化(由20μH变为10μH)时，本发明所提出的算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算法的合理性。由3～4图可知，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。

图5中的带方块的曲线为本发明所提出算法估计的互感值，带圆形的曲线为估计的互感值与实测值之间的误差。由图可知，本发明提出的算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中的带方块的曲线为本发明所提出算法估计的互感值，带圆形的曲线为估计的互感值与实测值之间的误差。由图6可知，相较于图5而言，随着系统功率(负载电阻由10Ω增加到30Ω)的提升，本发明提出的算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，本发明提出的算法在估计互感值时平均误差最大不超过1.5％，并且随着系统传输功率的增加，平均误差会进一步降低，从而验证互感辨识方法的可行性与有效性。

综上所述，本实例以SS补偿的磁耦合无线电能传输系统为例，提出一种互感在线/离线辨识方法，改方法无需增加任何额外的硬件电路及相应的控制电路，系统能够工作在系统谐振频率，并且SS补偿结构时磁耦合无线电能传输系统中较为常用的补偿拓扑，结构简单，控制复杂度低。同时，本发明提出的算法复杂度低，运算时间短且误差较小。在保证系统有足够的传输功率前提下，采用本发明提出的算法估计互感值时平均误差完全满足实际应用的需求。

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 (2)

1.一种静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线互感辨识方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一：所述无线电能传输系统为SS补偿的磁耦合无线电能传输系统，原边电路中的发射线圈L₁与谐振电容C₁串联构成了原边串联谐振回路；副边电路中的接收线圈L₂与谐振电容C₂串联构成了副边串联谐振回路；M为原边电路的发射线圈和副边电路的接收线圈之间互感值；系统能量通过原边电路的发射线圈传输到副边电路的接收线圈，经过副边电路的全桥整流/滤波电路后，为系统负载提供电能；根据系统电路模型得到负载电阻R_o，原边线圈内阻R₁，互感值M，原边线圈自感值L₁及系统工作角频率ω之间的函数关系；

步骤二：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，分别获取等效负载电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r的模型；

步骤三：测量原边电路的发射线圈中谐振电流有效值I_{1_rms}，结合反馈阻抗Z_r和原边线圈内阻R₁，获得系统传输到副边电路的有功功率；所述系统传输到副边电路的有功功率为：

步骤四：利用步骤三所述系统传输到副边电路的有功功率P₁和步骤二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模型为：

步骤五：利用在线估计的互感值模型实现静态-动态磁耦合无线电能传输系统在线或离线的互感辨识。

2.根据权利要求1所述互感辨识方法，其特征在于，步骤二所述获取等效输入电阻R_e、副边电路的阻抗Z₂和副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r的模型的具体过程为：

第一步：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路的全桥整流/滤波电路的等效负载电阻R_e的表达式为：

其中，R_o为负载电阻，U_o为充电电压，I_o为充电电流；

步骤三：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路阻抗Z₂表达式为：

其中，R₂为副边线圈内阻，ω为系统工作角频率，L₂为副边线圈自感以及C₂为副边谐振电容的容值；

第二步：根据SS补偿的磁耦合无线电能传输系统的拓扑结构，确定副边电路阻抗Z₂映射到原边电路的反馈阻抗Z_r表达式为：

第三步：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。

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