CN112054601B - 一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法 - Google Patents

一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，包括：功率传输前，二次侧电池储能系统将初始功率需求传输至一次侧；一次侧发送确认收到功率需求状态至二次侧；二次侧向一次侧发送开始功率传输指令；一次侧向二次侧通讯约定功率传输开始时间，进行功率传输，数据通讯停止；功率传输开始，一次侧功率闭环控制，功率给定为PB0；输出功率稳定后，二次侧搜索确定最优负载阻抗，二次侧Buck/boost DC/DC变换器采用输入阻抗闭环控制；进行正常功率传输。本发明实现水下弱通讯环境下，无线电能传输系统的最大效率控制与输出功率控制，在功率传输过程中不需要通讯数据传输，具有可靠性高以及效率高的特点。

Description

一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，属于无线电能传输领域。
背景技术
无线电能传输系统的控制目标主要有两个：最大效率跟踪与输出功率控制。在空气中的无线电能传输系统，为了实现最大效率跟踪与输出功率控制，一般采用一次侧与二次侧通讯的方式实现最大效率与功率输出控制。一般采用的通讯方式分为两种：第一种为额外的辅助通讯系统，如采用蓝牙、WIFI，射频等无线通讯手段；第二种为信号与功率的同步传输。
当无线电能传输技术应用在海洋中水下潜航器充电时，以上通讯手段均存在问题。海水具有导电性，导致如蓝牙、WIFI的高频无线通讯距离较近以至于无法实现数据传输。当采用频率较低的射频通讯技术时，又由于射频通信频率与无电能传输系统的功率传输频率接近，导致通讯受到干扰，产生较高的误码率。当采用信号与功率的同步传输时，由于海水中的无线电能传输系统功率频率往往低于100kHz，导致与功率传输的信号速率较低，无法实现系统的实时控制。而水下超声波信号通讯以及激光信号通讯等，均需要水下潜航器与充电系统对接时，具有较高的对接精度。
水下无线电能传输系统的通讯系统具有通讯速率低、误码率高的特点是一种弱通讯系统。弱通讯系统下，无法将二次侧状态实时传输至一次侧，无法实现无线电能传输系统的实时控制。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，实现水下弱通讯环境下，无线电能传输系统的最大效率控制与输出功率控制，该方法只需在无线功率传输前进行通讯确定初始状态，在功率传输过程中不需要进行数据通讯传输。
为解决上述技术问题，本发明的一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，包括以下步骤：
S1：功率传输前，二次侧电池储能系统通过无线通讯将初始功率需求PB0传输至一次侧；
S2：一次侧接收到初始功率需求PB0后，发送确认收到功率需求状态至二次侧；
S3：二次侧接收到确认收到功率需求状态后，向一次侧发送开始功率传输指令；
S4：一次侧接收到开始功率传输指令后，向二次侧通讯约定功率传输开始时间，然后进行功率传输，数据通讯停止；
S5：功率传输开始，一次侧功率闭环控制，功率给定为PB0；
S6：输出功率稳定后，二次侧搜索确定最优负载阻抗，二次侧Buck/boost DC/DC变换器采用输入阻抗闭环控制，且Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗为无线电能传输系统负载阻抗；
S7：待二次侧搜索最优负载阻抗完成后，控制Buck/boost DC/DC变换器使其输入阻抗等于最优负载阻抗，开始进行正常功率传输。
本发明还包括：
1.初始需求功率PB0具体为：
PB0＝UB0IB
其中，UB0为电池初始电压，IB为根据电池容量设定的恒流充电电流。
2.S6中二次侧搜索确定最优负载阻抗具体为：
S6.1：初始负载阻抗给定为R1，R1值小于最优负载阻抗，待电池充电功率稳定后，记录初始负载阻抗对应的电池充电功率PB1；
S6.2：增加Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗给定值，增加量为ΔR；
S6.3：判断电池充电功率是否稳定，当
Figure BDA0002629667730000021
成立时，则充电功率达到稳定，执行S6.4；否则，继续执行S6.3；其中，PB(x)、PB(y)分别对应电池充电功率PB的第x次采样与第y次采样，x＝1,2,…,h；y＝1,2,…,h；ε为给定的功率波动判定的门槛值，h为约定的连续采样次数；
S6.4：记录此时电池充电功率为PB2；
S6.5：判断输出功率是否达到了最大值，具体为：
当满足PB2-PB1>PTH时，输出功率没有达到最大值，返回S6.2；
当满足PB2-PB1<PTH，但不满足PB1-PB2>PTH时，返回S6.2；
当满足PB2-PB1<PTH，且满足PB1-PB2>PTH时，输出功率达到最大值，对应的Buck/boostDC/DC变换器的输入阻抗设置为最优负载阻抗并结束最优负载阻抗搜索过程。
3.S7中进行正常功率传输的过程中，二次侧根据自身的功率需求向一次侧发送增加功率或减小功率的需求，具体实现方式是：开关管(S1)的S极串联电阻(Rd)，然后与二次侧的补偿网络并联，开关管S1单次开通为减小功率信号，一次侧检测到单次开通则减小功率给定；开关管S1连续两次开通为增加功率信号，一次侧检测到连续两次开通则增加功率给定。
本发明的有益效果：
1.本发明提出一种水下弱通讯情况下，无线电能传输系统控制方法，该策略只需在无线功率传输前进行通讯确定初始状态，在功率传输过程中不需要通讯数据传输，提高了功率传输系统的可靠性。
2.本发明采用最优负载阻抗搜索策略确定最优负载阻抗值，避开海水涡流损耗对最优负载阻抗估计的影响，得到较准确的最优阻抗值，进而使无线能量传输系统工作在最大效率处，提高了功率传输的效率。
附图说明
图1为水下弱通讯情况下无线电能传输系统的控制方法框图；
图2为输出功率随负载变化趋势图；
图3(a)为开关管S1单次开通后输入电压、电流以及功率情况；
图3(b)为开关管S1连续两次开通后输入电压、电流以及功率情况；
图4为开始功率传输前的数据通讯；
图5为最优负载值搜索流程图；
图6为电池充电过程中增减功率需求。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。
无线电能传输的控制系统需要完成最大效率跟踪与输出功率控制两个功能，本发明采用的水下弱通讯情况下无线电能传输系统的控制策略框图如图1所示，一次侧采用功率闭环控制，二次侧采用阻抗闭环控制实现最大效率跟踪。无线电能传输系统包括：一次侧和二次侧，一次侧包括输入电源、电能发射调节电路、一次侧补偿网络和发射线圈，二次侧包括接收线圈、二次侧补偿网络、整流电路、Buck/boost DC/DC变换器和电池负载，其中iin和Uin分别为输入电源的输出电流和电压，Uo和io分别为buck/boost变换器的输入电压与输入电流，iB和UB分别为电池负载的充电电流和充电电压。
在开始功率传输前，需要低速率无线通讯，将二次侧初始功率需求传输至一次侧。二次侧负载为电池储能系统，开始充电时一般采用恒流-恒压充电方式，恒流充电阶段电流根据电池容量设定，恒流充电电流与电池电压相乘即可得到初始功率需求PB0。确定初始功率需求后，一次侧与二次侧通讯约定功率传输开始时间。
功率传输开始时，一次侧功率闭环，功率闭环的给定为PB0。待输出功率稳定后，二次侧开始搜索最优负载阻抗。最优负载阻抗对应的输出效率最大，也就是相同输入功率情况下，输出功率最大，根据如图2的输出功率随负载变化趋势图，设计最优负载阻抗的搜索思路如下：二次侧Buck/boost DC/DC变换器采用输入阻抗闭环控制，输入阻抗给定由最优负载阻抗给定算法实现，输入阻抗由输入电压除以输入电流得到，输入阻抗与给定之差经PI调节器控制Buck/boost DC/DC变换器；阻抗给定RL_ref由初始给定R1开始增加，每次增加ΔR，记录电池充电功率PB值，最大充电功率处对应的阻抗值即为最优负载阻抗Ropt。确定最优负载阻抗Ropt后，即可开始正常的功率传输。
在功率正常传输过程中，二次侧可以根据自身的功率需求，向一次侧发送增加功率或减小功率的需求。功率需求的发送是通过开关管S1与电阻Rd实现，开关管S1的S极与电阻Rd串联，其中电阻Rd的阻值较小。当开关管S1闭合时，一次侧绕组电流减小，输入功率变小，由于一次侧功率闭环，此时一次侧绕组输入电压增加，如图3(a)和图3(b)所示。二次侧需要向一次侧传递两个状态分别对应需求功率增加以及需求功率减小。可以采用开关管S1单次开通以及连续两次开通来实现这两种状态，当一次侧检测到开关管S1单次开通时，为减小功率信号，一次侧减小功率给定；当一次侧检测到开关管S1连续两次开通时，为增加功率信号，一次侧增加功率给定。如此便实现了没有数据通讯情况下的，输出功率控制。
本发明采用的水下弱通讯情况下无线电能传输系统的控制策略框图如图1所示，一次侧采用功率闭环控制，二次侧采用阻抗闭环控制实现最大效率跟踪。在开始功率传输前，需要无线通讯，将二次侧初始功率需求传输至一次侧，可以采用载波频率较低的射频通信技术实现数据通讯，以提高水下通信的传输距离。
二次侧负载为电池储能系统，开始充电时一般采用恒流充电方式，根据电池容量设定充电电流IB，恒流充电电流IB与电池初始电压UB0相乘即可得到初始功率需求PB0。如图4所示，二次侧向一次侧发送初始功率需求PB0；一次侧接收到该信息后，发送确认收到初始功率需求状态；二次侧收到一次侧状态后，向一次侧发送可以开始功率传输的指令；一次侧收到开始功率传输指令后，向二次侧通讯约定功率传输开始时间，接着进行功率传输，数据通讯停止。
功率传输开始时，一次侧功率闭环，功率给定为PB0。待输出功率稳定后，二次侧开始搜索最优负载阻抗，二次侧Buck/boost DC/DC变换器采用输入阻抗闭环控制，此处约定Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗为无线电能传输系统负载阻抗。最优负载搜索的流程图如图5所示。初始负载阻抗给定为R1，R1值小于最优负载阻抗，待电池充电功率稳定后，记录初始负载阻抗对应的电池充电功率PB1。然后增加Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗给定值，增加量为ΔR。接着判断电池充电功率是否稳定，判断的依据如式(1)所示，当满足式(1)时，则认为充电功率达到稳定。待电池充电功率稳定后，记录此时功率为PB2。
Figure BDA0002629667730000051
其中，PB(x)、PB(y)分别对应电池充电功率PB的第x次采样与第y次采样，x＝1,2,…,h；y＝1,2,…,h；ε为给定的功率波动判定的门槛值，h为约定的连续采样次数。
接着判断功率是否达到了最大值，如果功率增加量大于设置的功率门限值PTH，也就是满足PB2-PB1>PTH，则说明功率没有达到最大值，则需要继续增加Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗给定值，输入阻抗的反馈值由电压Uo和io相处得到。如果PB2-PB1<PTH，但不满足PB1-PB2>PTH，则说明依然没有达到最大功率，则需要继续增加Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗给定值；如果满足PB1-PB2>PTH，则说明输出功率已经达到最大，将当前的Buck/boostDC/DC变换器的输入阻抗设置为最优负载阻抗并结束最优负载阻抗搜索过程。
最优负载阻抗Ropt确定后，可开始正常的功率传输，正常传输过程中控制Buck/boost DC/DC变换器使其输入阻抗等于最优负载阻抗。在功率正常传输过程中，二次侧可以根据自身的功率需求向一次侧发送增加功率或减小功率的需求。功率需求的判定主要依据充电电流，如图6所示，一般采用恒流-恒压的充电方式。在恒流充电阶段，期望的充电电流值固定，由于一次侧采用功率闭环形式，电池充电功率固定，随着电池电压的升高，充电功率增大，导致充电电流逐渐降低，当实际电流值低于期望的充电电流值时，向一次侧发送功率增加请求。在恒压充电阶段，期望的充电电压值固定，当实际电池电压高于期望的充电电压值时，向一次侧发送减小功率请求。当充电电流减小至较小值时，停止充电，需要停止功率传输，可以连续发送减功率请求，直至功率减小至零。
功率需求的发送是通过开关管S1与电阻Rd实现，其中电阻Rd的阻值较小。当开关管S1闭合时，一次侧绕组电流减小，输入功率变小，由于一次侧功率闭环，此时一次侧绕组输入电压增加，如图3(a)和图3(b)所示。二次侧需要向一次侧传递两个状态分别对应需求功率增加以及需求功率减小。可以采用开关管S1单次开通以及连续两次开通来实现两种状态，当一次侧检测到开关管S1单次开通时，为减小功率信号，一次侧减小功率给定；当一次侧检测到开关管S1连续两次开通时，为增加功率信号，一次侧增加功率给定。如此便实现了没有数据通讯情况下的，输出功率控制。

Claims (3)

1.一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：功率传输前，二次侧电池储能系统通过无线通讯将初始功率需求PB0传输至一次侧；
S2：一次侧接收到初始功率需求PB0后，发送确认收到功率需求状态至二次侧；
S3：二次侧接收到确认收到功率需求状态后，向一次侧发送开始功率传输指令；
S4：一次侧接收到开始功率传输指令后，向二次侧通讯约定功率传输开始时间，然后进行功率传输，数据通讯停止；
S5：功率传输开始，一次侧功率闭环控制，功率给定为PB0；
S6：输出功率稳定后，二次侧搜索确定最优负载阻抗，二次侧Buck/boost DC/DC变换器采用输入阻抗闭环控制，且Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗为无线电能传输系统负载阻抗；所述二次侧搜索确定最优负载阻抗具体为：
S6.1：初始负载阻抗给定为R1，R1值小于最优负载阻抗，待电池充电功率稳定后，记录初始负载阻抗对应的电池充电功率PB1；
S6.2：增加Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗给定值，增加量为ΔR；
S6.3：判断电池充电功率是否稳定，当
Figure FDA0003692038340000011
成立时，则充电功率达到稳定，执行S6.4；否则，继续执行S6.3；其中，PB(x)、PB(y)分别对应电池充电功率PB的第x次采样与第y次采样，x＝1,2,…,h；y＝1,2,…,h；ε为给定的功率波动判定的门槛值，h为约定的连续采样次数；
S6.4：记录此时电池充电功率为PB2；
S6.5：判断输出功率是否达到了最大值，具体为：
当满足PB2-PB1>PTH时，输出功率没有达到最大值，返回S6.2；
当满足PB2-PB1<PTH，但不满足PB1-PB2>PTH时，返回S6.2；
当满足PB2-PB1<PTH，且满足PB1-PB2>PTH时，输出功率达到最大值，对应的Buck/boost DC/DC变换器的输入阻抗设置为最优负载阻抗并结束最优负载阻抗搜索过程；
S7：待二次侧搜索最优负载阻抗完成后，控制Buck/boost DC/DC变换器使其输入阻抗等于最优负载阻抗，开始进行正常功率传输。
2.根据权利要求1所述的一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，其特征在于：初始需求功率PB0具体为：
PB0＝UB0IB
其中，UB0为电池初始电压，IB为根据电池容量设定的恒流充电电流。
3.根据权利要求1至2所述任意一种水下弱通讯环境下无线电能传输系统控制方法，其特征在于：S7所述进行正常功率传输的过程中，二次侧根据自身的功率需求向一次侧发送增加功率或减小功率的需求，具体实现方式是：开关管S1的S极串联电阻Rd，然后与二次侧的补偿网络并联，开关管S1单次开通为减小功率信号，一次侧检测到单次开通则减小功率给定；开关管S1连续两次开通为增加功率信号，一次侧检测到连续两次开通则增加功率给定。
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