CN113162165B - 一种基于互感可控的单向无线充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于互感可控的单向无线充电控制方法，包括：系统启动过程中，互感追踪控制算法根据各电量之间的关系使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以控制互感达到系统设定值；系统启动完成后，利用充电电压控制环路及充电电流控制环路调节一次侧逆变器的移相角，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流；系统运行过程中，互感滞环控制算法根据逆变器稳态移相占空比，确定当前系统运行工况，使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以自动寻找高效充电工作点；最优工作频率算法根据当前负载电阻值计算出最优工作频率，以控制一次侧逆变器工作频率等于最优工作频率。本发明将互感值作为系统运行过程中的控制变量之一，增加了系统控制的灵活度。

Description

一种基于互感可控的单向无线充电控制方法

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于互感可控的单向无线充电控制方法。

背景技术

无线充电技术是一种安全便捷的电能传输方式，具有使用灵活方便、可适应恶劣环境、易于实现无人化自动供电和移动式供电的优点。基于磁耦合谐振式的无线充电技术具有良好的恒压恒流输出特性，能够较好地满足距离、效率、功率和安全等方面的需求，正逐渐成为业界的研究热点，并且在电动车、消费电子和医疗植入设备等领域具有广阔的应用前景。然而，在对单向无线充电系统进行控制时，有以下几个需求：

1)稳定的充电电压和充电电流。无线充电系统作为一种电源，需要适配各类负载所需的恒压或者恒流充电模式。

2)保证系统安全运行。在无线充电系统运行过程中，需要将一次侧和二次侧谐振电流、电压限制在安全工作范围内。

3)最优整机效率。系统需要在不同工况下保持高效运行，减小功率损耗，提升热稳定性。

4)较强的抗干扰性能。在实际使用中，当负载发生变化时，控制系统需自动地调节控制变量，实现对充电电压/充电电流指令的跟踪。

5)较强的抗偏移性能。充电过程中如果发生原边线圈或者副边线圈的偏移，系统须保证仍然可以对负载进行安全稳定且高效的功率传输。

现有技术的缺陷和不足：

1)传统的无线充电系统在启动前需要人为对准原、副边线圈，并且在充电过程中如果发生原边线圈或者副边线圈的偏移无法进行自动修正。

2)对于串联-串联补偿(Series-Series,SS)谐振式无线充电系统来说，其输出特性、输出功率、整机效率以及系统运行工作点都与耦合机构的互感紧密相关，传统无线充电系统只能在固定互感下运行，而不能根据当前需求灵活调节耦合机构的互感。当互感偏小时，一次侧以及二次侧的谐振电流、电压有效值将增加，系统效率将会降低，安全性下降；当互感偏大时，系统的功率输出能力降低，将无法满足当前负载充电功率的需求。

3)现有的单向无线充电系统需要对高频谐振电流进行锁相，以实现一次侧逆变器所有开关管的零电压开通(Zero Voltage Switch,ZVS)。目前针对高频谐振电流的锁相方法需要复杂的电路结构以及控制算法，增加了系统和控制的复杂度，并且锁相精度受电路噪声影响较大，可靠性和鲁棒性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出了一种基于互感可控的单向无线充电控制方法。

本发明采用如下技术来实现的：

一种基于互感可控的单向无线充电控制方法，包括以下步骤：

系统启动过程中，互感追踪控制算法根据各电量之间的关系使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以控制耦合机构的互感达到系统设定值；

系统启动完成后，利用充电电压控制环路及充电电流控制环路调节一次侧逆变器的移相角，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流；

系统运行过程中，互感滞环控制算法根据逆变器稳态移相占空比，确定当前系统运行工况，使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以自动寻找高效充电工作点；

系统运行过程中，最优工作频率算法根据当前负载电阻值计算出最优工作频率，并控制一次侧逆变器工作频率等于最优工作频率。

本发明进一步的改进在于，系统启动过程中，互感追踪控制算法根据各电量之间的关系使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以控制耦合机构的互感达到系统设定值的具体实现方法如下：

检测到直流母线电压V₁处于正常范围后，逐步提高一次侧逆变器移相占空比D_p，互感追踪控制算法通过无线通信实时采集二次侧电池充电电流I₂，当二次侧电池充电电流I₂大于I_2start时，通过逆变器直流母线电压V₁，移相占空比D_p和二次侧电池充电电流I₂实时计算当前互感M_fb，设置互感误差裕量M^*后与系统设定互感值M_ref进行比较；若当前互感M_fb大于M_ref+M^*，互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感减小的方向进行水平位移；若当前互感M_fb小于M_ref-M^*，则互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感增大的方向进行水平位移；若当前互感M_ref-M^*<M_fb<M_ref+M^*，则互感追踪控制算法将控制原边线圈停止位移，此时系统启动完成，互感已达到系统设定值。

本发明进一步的改进在于，系统启动完成后，利用充电电压控制环路及充电电流控制环路调节一次侧逆变器的移相角，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流的具体实现方法如下：

充电电压环路及充电电流环路实时采集二次侧电池的充电电压及充电电流信息，再将二次侧电池的充电电压及充电电流分别与预设充电电压参考值及充电电流参考值进行比较，得到二次侧充电电压的第一误差信号及二次侧充电电流的第一误差信号，然后将二次侧充电电压的第一误差信号及二次侧充电电流的第一误差信号分别输入到充电电压PID调节器及充电电流PID调节器中，并选择二次侧充电电压的第一误差信号对应的输出信号与二次侧充电电流的第一误差信号对应的输出信号中较小的进行限幅后作为一次侧逆变器的移相占空比D_p，利用一次侧逆变器的移相占空比D_p调节二次侧电池的充电电压及充电电流，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流。

本发明进一步的改进在于，系统运行过程中，互感滞环控制算法根据逆变器稳态移相占空比，确定当前系统运行工况，使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以自动寻找高效充电工作点的具体实现方法如下：

互感滞环控制算法通过实时采集移相占空比D_p的值确定当前系统运行工况；设定逆变器移相占空比范围为(D_pmax-D_perror，D_pmax)，若D_p<D_pmax-D_perror，则此时系统运行于互感偏小的工况，互感滞环控制算法将控制原边线圈向互感增大的方向进行水平位移；若D_p>D_pmax，则此时系统运行于互感偏大的工况，互感滞环控制算法将控制原边线圈向互感减小的方向进行水平位移；若D_pmax-D_perror<D_p<D_pmax，互感滞环控制算法将控制原边线圈停止位移。

本发明进一步的改进在于，系统运行过程中，由于此时逆变器运行于接近最大移相占空比的工作点，此工作点在二次侧电池充电电压及电流不变的情况下使得一次侧谐振电流接近于最小，所以互感滞环控制算法使得系统运行于高效充电工作点。

本发明进一步的改进在于，系统运行过程中，最优工作频率算法根据当前负载电阻值计算出最优工作频率，以控制一次侧逆变器工作频率等于最优工作频率的具体实现方法如下：

最优工作频率算法通过无线通信实时采集二次侧电池的充电电压及充电电流信息，通过电池充电电压除以充电电流计算得出当前电池等效负载电阻，根据电池等效负载电阻、工作频率与一次侧逆变器输入阻抗角的关系计算出当前工况下输入阻抗角呈感性并大于死区时间角度所需的工作频率，即为当前工况下的最优工作频率，将逆变器工作频率设定为此最优工作频率，即实现逆变器所有开关管的零电压开通运行。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明将耦合机构的互感作为系统可控变量之一，增加了控制的自由度。系统启动过程中，将实时检测耦合机构的互感，控制原边线圈发生相应水平位移，使耦合机构的互感达到系统指定互感值，避免互感不符合系统设定值所出现的一切负面影响，不需要进行人为校准，可实现无人化无线充电。

2、系统运行过程中，本发明将实时采集系统中的相关电量来确定当前系统运行工况，根据工况的不同控制原边线圈发生相应水平位移，使系统运行于高效充电工作点，并且可以自动校正充电过程中原边线圈或者副边线圈发生偏移而导致的互感偏大或偏小。

3、在较重载范围内，本发明无需对高频谐振电流进行锁相即可实现一次侧逆变器的所有开关管的零电压开通运行，并且引入无功能量较小，降低了系统和控制的复杂度，提高了可靠性和鲁棒性。

附图说明

图1为本发明中串联-串联补偿谐振式无线充电系统的结构图；

图2为本发明的控制框图；

图3为本发明启动过程中采取互感追踪控制算法的流程图；

图4为本发明运行过程中采取互感滞环控制算法的流程图；

图5为本发明互感追踪控制过程中互感随时间变化关系曲线；

图6为本发明充电电流参考值由5A突变为4A时一次侧、二次侧的电压电流波形；

图7为本发明充电电流参考值由5A突变为4A时互感滞环控制过程中互感随时间变化关系曲线。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明所述的一种基于互感可控的单向无线充电控制方法，包括以下步骤：

1)系统启动过程中，互感追踪控制算法根据各电量之间的关系使原边线圈发生相应水平方向位移，以控制耦合机构的互感达到系统设定值；

具体操作过程为：检测到直流母线电压V₁处于正常范围后，逐步提高一次侧逆变器移相占空比D_p，互感追踪控制算法通过无线通信实时采集二次侧电池充电电流I₂，当二次侧电池充电电流I₂大于I_2start时，通过逆变器直流母线电压V₁，移相占空比D_p和二次侧电池充电电流I₂实时计算当前互感M_fb，设置一定互感误差裕量M^*后与系统设定互感值M_ref进行比较。若当前互感M_fb大于M_ref+M^*，互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感减小的方向进行水平位移；若当前互感M_fb小于M_ref-M^*，则互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感增大的方向进行水平位移；若当前互感M_ref-M^*<M_fb<M_ref+M^*，则互感追踪控制算法将控制原边线圈停止位移，此时系统启动完成，互感已达到系统设定值。

2)系统启动完成后，利用充电电压控制环路及充电电流控制环路调节一次侧逆变器的移相角，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流；

具体操作过程为：充电电压环路及充电电流环路实时采集二次侧电池的充电电压及充电电流信息，再将二次侧电池的充电电压及充电电流分别与预设充电电压参考值及充电电流参考值进行比较，得到二次侧充电电压的第一误差信号及二次侧充电电流的第一误差信号，然后将二次侧充电电压的第一误差信号及二次侧充电电流的第一误差信号分别输入到充电电压PID调节器及充电电流PID调节器中，并选择二次侧充电电压的第一误差信号对应的输出信号与二次侧充电电流的第一误差信号对应的输出信号中较小的进行限幅后作为一次侧逆变器的移相占空比D_p，利用一次侧逆变器的移相占空比D_p调节二次侧电池的充电电压及充电电流，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流。

3)系统运行过程中，互感滞环控制算法根据逆变器稳态移相占空比，确定当前系统运行工况，使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以自动寻找高效充电工作点；

具体操作过程为：互感滞环控制算法通过实时采集移相占空比D_p的值确定当前系统运行工况。设定逆变器移相占空比范围为(D_pmax-D_perror，D_pmax)，若D_p<D_pmax-D_perror，则此时系统运行于互感偏小的工况，互感滞环控制算法将控制原边线圈向互感增大的方向进行位移；若D_p>D_pmax，则此时系统运行于互感偏大的工况，互感滞环控制算法将控制原边线圈向互感减小的方向进行位移；若D_pmax-D_perror<D_p<D_pmax，互感滞环控制算法将控制原边线圈停止位移。由于此时逆变器运行于接近最大移相占空比的工作点，此工作点在二次侧电池充电电压及电流不变的情况下使得一次侧谐振电流接近于最小，所以互感滞环控制算法使得系统运行于高效充电工作点。

4)系统运行过程中，最优工作频率算法根据当前负载电阻值计算出最优工作频率，并控制一次侧逆变器工作频率等于最优工作频率。

最优工作频率算法通过无线通信实时采集二次侧电池的充电电压及充电电流信息，通过电池充电电压除以充电电流计算得出当前电池等效负载电阻。根据电池等效负载电阻、工作频率与一次侧逆变器输入阻抗角的关系计算出当前工况下输入阻抗角呈感性并大于死区时间角度所需的工作频率，即为当前工况下的最优工作频率，将逆变器工作频率设定为此最优工作频率，即实现逆变器所有开关管的零电压开通运行。

实施例

参见图1，以100W单向无线充电平台为例，一次侧逆变器的直流侧电压为30V，将直流电压逆变为高频交流方波电压驱动发射侧谐振网络，从而产生高频电磁场，接收侧线圈感应出高频电磁场并产生高频交流电压，再经过二次侧无源整流器与电容滤波后，对电池进行充电，采用如图2至图4所示的控制方法进行控制。

系统启动过程中，根据图2所示逻辑规则，检测到直流母线电压V₁>25V，处于正常范围后，逐步提高一次侧逆变器移相占空比D_p。互感追踪控制算法通过无线通信实时采集二次侧电池充电电流信息I_2fb，当二次侧电池充电电流I_2fb大于指定值I_2start时，通过逆变器直流电压V₁，移相占空比D_p和二次侧电池充电电流I_2fb实时计算当前互感M_fb，判断是否处于互感参考区间(M_ref-M^*，M_ref+M^*)内。本实施例将M_ref设置为15.8μH，M^*为0.2μH。如图5所示，由于当前互感M_fb＝5.4μH<M_ref-M^*＝15.6μH，互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感增大的方向位移，在t＝20s时，互感达到系统设定值，互感追踪控制算法发出停止指令，原边线圈停止位移，系统启动完毕。

系统运行过程中，根据图3所示逻辑规则，互感滞环控制算法通过实时采集移相占空比D_p的值确定当前系统运行工况。设定逆变器移相占空比范围为(D_pmax-D_perror，D_pmax)，在本实施例中，将D_pmax设置为0.98，D_perror设置为0.02。如图6所示，R_L为3Ω，当充电电流参考值I_2ref由5A突变为4A时，充电电流控制环路将逆变器移相占空比D_p降低以保证I₂＝4A，此时V₂由15V降为12V。互感滞环控制算法检测到D_p<D_pmax-D_perror＝0.96，则此时系统运行于互感偏小的工况，将使原边线圈向互感增大的方向进行位移，在整个位移过程中V₂始终为12V不变。当t＝5s时，0.96<D_p<0.98，互感滞环控制算法将发出禁止位移信号使得原边线圈停止位移。如图7所示，整个互感滞环控制过程中线圈互感由9.42μH增大到11.8μH后稳定运行。由于此时逆变器运行于接近最大移相占空比的工作点，此工作点在二次侧电池充电电压及电流不变的情况下使得一次侧谐振电流接近于最小，所以互感滞环控制算法使得系统运行于高效充电工作点。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于互感可控的单向无线充电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

系统启动过程中，互感追踪控制算法根据各电量之间的关系使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以控制耦合机构的互感达到系统设定值；具体实现方法如下：

检测到直流母线电压V ₁处于正常范围后，逐步提高一次侧逆变器移相占空比D _p，互感追踪控制算法通过无线通信实时采集二次侧电池充电电流I ₂，当二次侧电池充电电流I ₂大于I _2start时，通过逆变器直流母线电压V ₁，移相占空比D _p和二次侧电池充电电流I ₂实时计算当前互感M _fb，设置互感误差裕量M ^*后与系统设定互感值M _ref进行比较；若当前互感M _fb大于M _ref+M ^*，互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感减小的方向进行水平位移；若当前互感M _fb小于M _ref-M ^*，则互感追踪控制算法将控制原边线圈朝互感增大的方向进行水平位移；若当前互感M _ref-M ^*<M _fb<M _ref+M ^*，则互感追踪控制算法将控制原边线圈停止位移，此时系统启动完成，互感已达到系统设定值；

系统启动完成后，利用充电电压控制环路及充电电流控制环路调节一次侧逆变器的移相角，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流；具体实现方法如下：

充电电压环路及充电电流环路实时采集二次侧电池的充电电压及充电电流信息，再将二次侧电池的充电电压及充电电流分别与预设充电电压参考值及充电电流参考值进行比较，得到二次侧充电电压的第一误差信号及二次侧充电电流的第一误差信号，然后将二次侧充电电压的第一误差信号及二次侧充电电流的第一误差信号分别输入到充电电压PID调节器及充电电流PID调节器中，并选择二次侧充电电压的第一误差信号对应的输出信号与二次侧充电电流的第一误差信号对应的输出信号中较小的进行限幅后作为一次侧逆变器的移相占空比D _p，利用一次侧逆变器的移相占空比D _p调节二次侧电池的充电电压及充电电流，以控制二次侧电池的充电电压及充电电流；

系统运行过程中，互感滞环控制算法根据逆变器稳态移相占空比，确定当前系统运行工况，使原边发射线圈发生相应水平方向位移，以自动寻找充电工作点；具体实现方法如下：

互感滞环控制算法通过实时采集移相占空比D _p的值确定当前系统运行工况；设定逆变器移相占空比范围为（D _pmax-D _perror，D _pmax），若D _p<D _pmax-D _perror，则此时系统运行于互感偏小的工况，互感滞环控制算法将控制原边线圈向互感增大的方向进行水平位移；若D _p>D _pmax，则此时系统运行于互感偏大的工况，互感滞环控制算法将控制原边线圈向互感减小的方向进行水平位移；若D _pmax-D _perror<D _p<D _pmax，互感滞环控制算法将控制原边线圈停止位移；由于此时逆变器运行于最大移相占空比的工作点，此工作点在二次侧电池充电电压及电流不变的情况下使得一次侧谐振电流最小，所以互感滞环控制算法使得系统运行于充电工作点；

系统运行过程中，最优工作频率算法根据当前负载电阻值计算出最优工作频率，并控制一次侧逆变器工作频率等于最优工作频率。

2.根据权利要求1所述的一种基于互感可控的单向无线充电控制方法，其特征在于，系统运行过程中，最优工作频率算法根据当前负载电阻值计算出最优工作频率，以控制一次侧逆变器工作频率等于最优工作频率的具体实现方法如下：

最优工作频率算法通过无线通信实时采集二次侧电池的充电电压及充电电流信息，通过电池充电电压除以充电电流计算得出当前电池等效负载电阻，根据电池等效负载电阻、工作频率与一次侧逆变器输入阻抗角的关系计算出当前工况下输入阻抗角呈感性并大于死区时间角度所需的工作频率，即为当前工况下的最优工作频率，将逆变器工作频率设定为此最优工作频率，即实现逆变器所有开关管的零电压开通运行。

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