CN115800558A - 一种三自由度效率优化控制方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度效率优化控制方法、系统、设备及存储介质,包括:获取双向无线电能传输系统的实际输出功率,根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β;根据所述初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧中的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制,该方法、系统、设备及存储介质能够保证所有开关管均工作于软开关状态。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域,涉及一种三自由度效率优化控制方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
无线电能传输是一种非接触式的电能传输技术,相比于传统的有线输电,无线电能传输技术具有更高的安全性、便利性、互动性,易于实现智能化和自动化。双向无线电能传输技术起源于传统的单相无线电能传输技术,除了延续后者的诸多优点之外,还能够实现能量在电源和负载间的交互馈动,近10年来逐渐受到人们的关注。2011年,新西兰奥克兰大学的学者发表文章,提出了“单相逆变器+耦合谐振器”的双向无线电能传输系统的拓扑,并相继发表系列文章讨论了系统的动态模型、控制方法、谐振器优化设计等问题,开启了双向无线电能传输领域的研究先河,将该领域引入大众视野。
近年来,双向无线电能传输技术快速发展,受到了越来越多的学者和科研人员的关注。与此同时,更为复杂的使用场景和用户需求也对双向无线电能传输技术提出了更多的问题和挑战。一方面,随着传输的功率不断增加,系统的传输损耗也不断增加,人们需要不断寻求高效率的拓扑和控制方式来减少传输过程中的损耗。另一方面,随着应用场景的更加复杂,需要一种更加灵活和普适的控制方法来满足系统控制的需要。同时,还希望在满足相应控制指标的同时系统不要增加额外的电路和结构,以保证系统工作的可靠性,降低研发和生产成本。
现有双向无线充电系统采用2自由度控制方法,虽然能够使系统正常运行,但在低功率情况下效率较低,有一半的开关管工作在硬关断状态,即不能使得所有开关管工作于软开关状态,从而带来较大的关断损耗,致使接收端的散热要求较高,需要增加多余的散热设备,严重挤占了系统其他部件的安装空间,造成无线充电系统布置困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供了一种三自由度效率优化控制方法、系统、设备及存储介质,该方法、系统、设备及存储介质能够保证所有开关管均工作于软开关状态。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明一方面,本发明提供了一种三自由度效率优化控制方法,包括:
获取双向无线电能传输系统的实际输出功率,根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β;
根据所述初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;
根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧中的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制。
本发明所述三自由度效率优化控制方法进一步的改进在于:
所述根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及功率参考值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β之前还包括:
获取给定功率参考值及传输方向;
将所述给定的功率参考值作为传输功率的期望值,将所述给定的传输方向作为传输方向的期望值。
所述根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β的具体过程为:
将传输功率的期望值与双向无线电能传输系统的实际输出功率作差,将作差结果输入到PI控制器中,得到PI控制器的输出结果;
对所述PI控制器的输出结果进行限幅,根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β。
所述根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β的具体过程为:
根据限幅结果利用式(2)计算初级侧移相角α及次级侧移相角β,其中,
其中,U1为初级侧逆变器的输出电压;U2为次级侧逆变器的输出电压;E1为初级侧直流电压源;E2为次级侧直流电压源;Pout为期望输出功率;M为双边线圈之间的互感;ω0为系统谐振角频率;L1为初级侧谐振电感;Lp为初级侧线圈电感;LS为次级侧线圈电感。
所述双边外移相角δ为:
δ=(π-max(α,β))/2 (3)
本发明二方面,本发明提供了一种三自由度效率优化控制系统,包括:
第一计算模块,用于获取双向无线电能传输系统的实际输出功率,根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β;
第二计算模块,用于根据所述初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;
控制模块,用于根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧内的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制。
本发明所述三自由度效率优化控制系统进一步的改进在于:
还包括:
获取模块,用于获取给定功率参考值及传输方向;
设定模块,用于将所述给定的功率参考值作为传输功率的期望值,将所述给定的传输方向作为传输方向的期望值。
所述第一计算模块包括:
PI运算模块,用于将传输功率的期望值与双向无线电能传输系统的实际输出功率作差,将作差结果输入到PI控制器中,得到PI控制器的输出结果;
限幅计算模块,用于对所述PI控制器的输出结果进行限幅,根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β。
本发明三方面,本发明提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述三自由度效率优化控制方法的步骤。
本发明四方面,本发明提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现所述三自由度效率优化控制方法的步骤。
本发明具有以下有益效果:
本发明所述的三自由度效率优化控制方法、系统、设备及存储介质在具体操作时,基于三自由度对双向无线电能传输系统进行控制,具体的,根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧中的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,其中,通过初级侧移相角α及次级侧移相角β追踪系统的最大功率点,使得系统适应不同工况及不同的使用场景,通过双边外移相角δ控制系统的传输方向,以保证所有开关管均工作于软开关状态,能够大幅降低高频逆变器的关断损耗,进一步提升系统效率。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为双向无线电能传输系统的电路图;
图2为本发明的方法原理图;
图3为本发明的系统结构图。
其中,1为第一计算模块、2为第二计算模块、3为控制模块、4为获取模块、5为设定模块、11为PI运算模块、12为限幅计算模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
实施例一
参考图1,本发明能够实现对双向无线电能传输系统的控制,所述双向无线电能传输系统包括初级侧及次级侧,其中,初级侧及次级侧均包括直流电源、高频逆变电路、LCC谐振电路以及能量传输线圈,其中,直流电源、高频逆变电路、LCC谐振电路及能量传输线圈依次相连接。
以初级侧为例,所述直流电源为电压源E1,用于提供稳定不变的直流电压和任意方向及大小的电流,作为系统的能量来源或者负载;所述高频逆变电路为全桥整理电路,由电力电子开关管Qp1、电力电子开关管Qp2、电力电子开关管Qp3及电力电子开关管Qp4组成,在工作时,控制电力电子开关管Qp1及电力电子开关管Qp4工作在同一状态,电力电子开关管Qp2及电力电子开关管Qp3工作在同一状态。通过控制电力电子开关管Qp1、电力电子开关管Qp4和电力电子开关管Qp2、电力电子开关管Qp3交替开通关断,将输入的直流电压转变为高频方波电压。所述LCC谐振电路由串联谐振电感L1、并联谐振电容C1及串联谐振电容Cp组成,电感、电容的参数配置及谐振频率ω满足以下表达式:
所述能量传输线圈Lp由高频利兹线绕制而成,初级侧中的能量传输线圈Lp与次级侧中的能量传输线圈Ls相耦合,将高频电磁场传递到另一侧。
参考图2,本发明所述三自由度效率优化控制方法包括以下步骤:
1)获取给定功率参考值Pref及传输方向,将给定的功率参考值Pref作为传输功率的期望值,将给定的传输方向作为传输方向的期望值;
2)将功率参考值Pref与传感器测量得到的双向无线电能传输系统的实际输出功率Pout做差运算,得到功率偏差值,再将所述功率偏差值输入到PI控制器中,得PI控制器的输出结果;
3)将PI控制器的输出结果进行限幅,然后根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β,其中,
其中,U1为初级侧逆变器的输出电压;U2为次级侧逆变器的输出电压;E1为初级侧直流电压源;E2为次级侧直流电压源;Pout为期望输出功率;M为双边线圈之间的互感;ω0为系统谐振角频率;L1为初级侧谐振电感;Lp为初级侧线圈电感;LS为次级侧线圈电感。
需要说明的是,本发明能够使得双向无线电能传输系统在系统负载变化时主动的调整工作状态,使系统主动跟踪匹配最优负载,始终运行在最大效率点,从而使得系统适应不同工况及不同的使用场景,即包括电池充电、恒流输出及恒压输出等情况。
4)根据初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;
δ=(π-max(α,β))/2 (3)
需要说明的是,本发明能够使得系统正常控制功率流动方向的前提下,使所有开关管都工作于软开关状态,能够大幅降低高频逆变器的关断损耗,进一步提升系统效率。
5)根据初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧内的高频逆变器,根据次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成对双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制。
需要说明的是,在传统的双向无线电能传输系统的控制过程中,通常仅有两个控制自由度,虽然能够使系统正常运行,但在低功率情况下效率较低,有一半的开关管工作在硬关断状态,带来较大的关断损耗。本发明所提供的控制方法能够完全避免此类问题,因而可以运用到大功率双向无线充放电场合,包括但不限于电动汽车充电、巡检机器人充电等,实现较高的双向无线电能传输效率,能够在负载变化时主动的调整系统工作状态,使系统主动跟踪匹配最优负载,始终运行在最大效率点,系统能够适应不同工况和不同的使用场景。
实施例二
参考图3,本发明所述的三自由度效率优化控制系统包括:
获取模块4,用于获取给定功率参考值及传输方向;
设定模块5,用于将所述给定的功率参考值作为传输功率的期望值,将所述给定的传输方向作为传输方向的期望值;
第一计算模块1,用于获取双向无线电能传输系统的实际输出功率,根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β;
第二计算模块2,用于根据所述初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;
控制模块3,用于根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧内的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制。
优选的,所述第一计算模块包括:
PI运算模块11,用于将传输功率的期望值与双向无线电能传输系统的实际输出功率作差,将作差结果输入到PI控制器中,得到PI控制器的输出结果;
限幅计算模块12,用于对所述PI控制器的输出结果进行限幅,根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β。
实施例三
一种计算机设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述三自由度效率优化控制方法的步骤,其中,所述存储器可能包含内存,例如高速随机存储器,也可能还包括非易失性存储器,例如,至少一个磁盘存储器等;处理器、网络接口、存储器通过内部总线互相连接,该内部总线可以是工业标准体系结构总线、外设部件互连标准总线、扩展工业标准结构总线等,总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。存储器用于存放程序,具体地,程序可以包括程序代码、所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器,并向处理器提供指令和数据。
实施例四
一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现所述三自由度效率优化控制方法的步骤,具体地,所述计算机可读存储介质包括但不限于例如易失性存储器和/或非易失性存储器。所述易失性存储器可以包括随机存储存储器(RAM)和/或高速缓冲存储器(cache)等。所述非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、硬盘、闪存、光盘、磁盘等。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种三自由度效率优化控制方法,其特征在于,包括:
获取双向无线电能传输系统的实际输出功率,根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β;
根据所述初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;
根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧中的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制。
2.根据权利要求1所述的三自由度效率优化控制方法,其特征在于,所述根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及功率参考值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β之前还包括:
获取给定功率参考值及传输方向;
将所述给定的功率参考值作为传输功率的期望值,将所述给定的传输方向作为传输方向的期望值。
3.根据权利要求1所述的三自由度效率优化控制方法,其特征在于,所述根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β的具体过程为:
将传输功率的期望值与双向无线电能传输系统的实际输出功率作差,将作差结果输入到PI控制器中,得到PI控制器的输出结果;
对所述PI控制器的输出结果进行限幅,根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β。
5.根据权利要求1所述的三自由度效率优化控制方法,其特征在于,所述双边外移相角δ为:
δ=(π-max(α,β))/2 (3)。
6.一种三自由度效率优化控制系统,其特征在于,包括:
第一计算模块(1),用于获取双向无线电能传输系统的实际输出功率,根据所述双向无线电能传输系统的实际输出功率及传输功率的期望值计算初级侧移相角α及次级侧移相角β;
第二计算模块(2),用于根据所述初级侧移相角α及次级侧移相角β计算双边外移相角δ;
控制模块(3),用于根据所述初级侧移相角α及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内初级侧内的高频逆变器;根据所述次级侧移相角β及双边外移相角δ控制双向无线电能传输系统内次级侧中的高频逆变器,完成双向无线电能传输系统的三自由度效率优化控制。
7.根据权利要求6所述的三自由度效率优化控制系统,其特征在于,还包括:
获取模块(4),用于获取给定功率参考值及传输方向;
设定模块(4),用于将所述给定的功率参考值作为传输功率的期望值,将所述给定的传输方向作为传输方向的期望值。
8.根据权利要求6所述的三自由度效率优化控制系统,其特征在于,所述第一计算模块包括:
PI运算模块(11),用于将传输功率的期望值与双向无线电能传输系统的实际输出功率作差,将作差结果输入到PI控制器中,得到PI控制器的输出结果;
限幅计算模块(12),用于对所述PI控制器的输出结果进行限幅,根据限幅结果计算初级侧移相角α及次级侧移相角β。
9.一种计算机设备,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-5任一项所述三自由度效率优化控制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述三自由度效率优化控制方法的步骤。
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Cited By (1)
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CN116094194A (zh) * | 2023-04-07 | 2023-05-09 | 煤炭科学技术研究院有限公司 | 磁耦合谐振式无线电能传输系统的功率控制方法及其装置 |
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2022
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