一種提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移容忍度的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無(wú)線充電系統(tǒng)的控制方法，特別涉及一種提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移 容忍度的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線充電的概念最早是由美國(guó)科學(xué)家特斯拉提出的。2007年，麻省理工學(xué)院的研 宄者提出了磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸?shù)男路椒?，?隔空"點(diǎn)亮了一盞2米開(kāi)外的60W燈泡。 隨后，無(wú)線充電技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，并應(yīng)用于嵌入式醫(yī)療、手機(jī)以及電動(dòng)汽車(chē)充電 等領(lǐng)域。
[0003] 然而在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線能量傳輸線圈之間經(jīng)常出現(xiàn)偏移的情況，帶來(lái)無(wú)線充電 系統(tǒng)效率嚴(yán)重下降的不良影響。CN103532254A"一種應(yīng)用于WPT系統(tǒng)的工作頻率自適應(yīng)調(diào) 節(jié)裝置"檢測(cè)無(wú)線充電系統(tǒng)的電能信號(hào)，通過(guò)無(wú)線傳輸信號(hào)送到DSP系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，使 系統(tǒng)工作在最佳頻率點(diǎn)。但并未提到使系統(tǒng)工作在最佳頻率點(diǎn)的控制方法。CN103219807 A"一種自適應(yīng)無(wú)線電能傳輸裝置"，利用微控制器跳頻技術(shù)，根據(jù)環(huán)境中的電磁頻率自動(dòng)調(diào) 整發(fā)射頻率和諧振頻率。但其同樣未給出確定最佳工作頻率的具體方法。因此，需要一種 在無(wú)線充電系統(tǒng)偏移的情況下，計(jì)算確定最優(yōu)控制頻率的具體方法，以提高系統(tǒng)的偏移容 忍度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服當(dāng)前無(wú)線充電系統(tǒng)在偏移情況下出現(xiàn)效率嚴(yán)重下降的問(wèn)題， 提出一種提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移容忍度的控制方法。本發(fā)明可為無(wú)線充電系統(tǒng)控制算法 的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，進(jìn)而提高無(wú)線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并降低系統(tǒng)的控制復(fù)雜度、提高控制速 度。
[0005] 應(yīng)用本發(fā)明控制方法的無(wú)線充電系統(tǒng)包括系統(tǒng)電源、逆變器、無(wú)線能量傳輸線圈 及其阻抗匹配電路、整流器、系統(tǒng)負(fù)載、以及系統(tǒng)控制器。系統(tǒng)電源為整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)提 供電能，逆變器的輸入端與系統(tǒng)電源相連，將電源提供的電能轉(zhuǎn)化為高頻交流電；逆變器的 輸出端與無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路相連，通過(guò)無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配 電路使得逆變器轉(zhuǎn)化的高頻交流電以空間電磁場(chǎng)的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸；整流器的輸入端與 無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路相連，將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電，最終為 與整流器輸出端連接的系統(tǒng)負(fù)載供電；上述部件之間通過(guò)電纜連接。系統(tǒng)控制器通過(guò)改變 逆變器中電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行控制，系統(tǒng)控制器與逆變器之 間通過(guò)電線連接。
[0006] 本發(fā)明提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移容忍度的控制方法包含以下步驟：
[0007] 步驟A、建立包含系統(tǒng)電源、逆變器、無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路、整流器 和系統(tǒng)負(fù)載的無(wú)線充電系統(tǒng)模型；
[0008] 步驟B、測(cè)量在無(wú)線能量傳輸線圈對(duì)準(zhǔn)和偏移情況下的無(wú)線充電系統(tǒng)模型參數(shù)；
[0009] 步驟C、根據(jù)無(wú)線充電系統(tǒng)模型求得系統(tǒng)效率的表達(dá)式；
[0010] 步驟D、利用系統(tǒng)效率表達(dá)式求解在無(wú)線能量傳輸線圈偏移情況下的最優(yōu)控制頻 率；
[0011] 步驟E、將求得的不同偏移情況下的最優(yōu)控制頻率進(jìn)行擬合，得到頻率控制曲線；
[0012] 步驟F、將頻率控制曲線通過(guò)編程應(yīng)用于系統(tǒng)控制器中，對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行控 制。
[0013] 本發(fā)明的控制方法是通過(guò)計(jì)算求得無(wú)線能量傳輸線圈偏移情況下的最優(yōu)控制頻 率，使無(wú)線充電系統(tǒng)在偏移情況下保持較高的效率，以提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移容忍度。
[0014] 所述步驟A的建立無(wú)線充電系統(tǒng)模型過(guò)程中，將所述的系統(tǒng)電源和逆變器綜合考 慮作為無(wú)線充電系統(tǒng)模型的源us;并將所述的整流器和系統(tǒng)負(fù)載綜合考慮作為無(wú)線充電系 統(tǒng)模型的負(fù)載4。
[0015] 所述步驟A的建立無(wú)線充電系統(tǒng)模型過(guò)程中，根據(jù)不同線圈結(jié)構(gòu)和阻抗匹配電路 結(jié)構(gòu)，考慮無(wú)線能量傳輸線圈的自電感、互電感、雜散電阻，以及阻抗匹配電路中的電感、電 容和雜散電阻的影響。無(wú)線充電系統(tǒng)的建模過(guò)程中以集總參數(shù)表示無(wú)線充電系統(tǒng)的各種變 量和雜散參數(shù)，其中無(wú)線能量傳輸線圈的自電感與線圈的雜散電阻串聯(lián)，而線圈之間的感 性耦合作用則等效表示為與線圈之間的互電感；在阻抗匹配電路中，電感的雜散電阻與電 感串聯(lián)，電容的雜散電阻與電容串聯(lián)，而電感和電容之間的連接方式則取決于阻抗匹配電 路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由此，無(wú)線充電系統(tǒng)的建模過(guò)程全面考慮了無(wú)線充電系統(tǒng)中的各種變量和 雜散參數(shù)，使得建立的模型能夠很好地表示實(shí)際無(wú)線充電系統(tǒng)，具有很高的精度。
[0016] 所述步驟B中待測(cè)量電氣參數(shù)的測(cè)量手段包括：采用示波器對(duì)電源電壓進(jìn)行測(cè) 量，采用阻抗分析儀對(duì)負(fù)載阻抗、無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路的電氣參數(shù)進(jìn)行測(cè) 量。
[0017] 所述步驟B中在無(wú)線能量傳輸線圈對(duì)準(zhǔn)的情況下，待測(cè)量的電氣參數(shù)包括：模型 的源電壓us，模型的負(fù)載阻抗無(wú)線能量傳輸線圈各線圈的自電感值、雜散電阻值以及線 圈之間的互電感值，阻抗匹配電路中的電感值、電容值以及雜散電阻值。
[0018] 所述步驟B中在無(wú)線能量傳輸線圈偏移的情況下，每隔固定的偏移距離選取測(cè)量 點(diǎn)，待測(cè)量的電氣參數(shù)為：無(wú)線能量傳輸線圈各線圈之間的互電感值。
[0019] 所述步驟C中，系統(tǒng)效率表達(dá)式的求解過(guò)程為：根據(jù)建立的無(wú)線充電系統(tǒng)模型，在 每個(gè)偏移測(cè)量點(diǎn)上，得到系統(tǒng)效率n與控制頻率f之間的函數(shù)關(guān)系n(f)。具體過(guò)程如下： 首先根據(jù)無(wú)線充電系統(tǒng)模型列出系統(tǒng)電壓、電流之間的函數(shù)關(guān)系；然后求得系統(tǒng)輸入電流 和輸出電流的表達(dá)式，進(jìn)而得到系統(tǒng)輸入有功功率和輸出有功功率的表達(dá)式；再通過(guò)輸出 有功功率除以輸入有功功率求出系統(tǒng)效率的表達(dá)式；最后將無(wú)線能量傳輸線圈對(duì)準(zhǔn)和偏移 情況下測(cè)量得到的無(wú)線充電系統(tǒng)模型參數(shù)代入系統(tǒng)效率的表達(dá)式，得到在每個(gè)偏移測(cè)量點(diǎn) 上，系統(tǒng)效率n與控制頻率f之間的函數(shù)關(guān)系n(f)。
[0020] 所述步驟C中，效率表達(dá)式的求解過(guò)程采用了實(shí)際測(cè)量得到的無(wú)線充電系統(tǒng)模型 參數(shù)，使所述的無(wú)線充電系統(tǒng)模型能夠表示不規(guī)則線圈形狀、線圈間距離的偏差、線圈周?chē)?不規(guī)則的導(dǎo)體和絕緣體、以及趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)等因素帶來(lái)的影響，進(jìn)而在復(fù)雜實(shí)際環(huán)境 下具有良好的應(yīng)用效果。
[0021] 所述步驟D中，最優(yōu)控制頻率的計(jì)算過(guò)程如下：首先將無(wú)線充電系統(tǒng)在無(wú)線能量 傳輸線圈對(duì)準(zhǔn)情況下的效率作為參考效率nMf;然后通過(guò)方程n(f) =n是否有解來(lái)判 斷在每個(gè)偏移測(cè)量點(diǎn)上，無(wú)線充電系統(tǒng)是否還能夠達(dá)到參考效率nMf;如果方程有解，則說(shuō) 明系統(tǒng)能夠達(dá)到參考效率，此時(shí)以方程的解作為該偏移測(cè)量點(diǎn)處的最優(yōu)控制頻率；如果方 程無(wú)解，則說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)不能達(dá)到參考效率，此時(shí)通過(guò)求解系統(tǒng)效率的導(dǎo)數(shù)方程dn(f)/df =〇得到無(wú)線充電系統(tǒng)達(dá)到最大效率時(shí)的最優(yōu)控制頻率。
[0022] 所述步驟E中，根據(jù)方程n(f) =n,ef是否有解的兩種情況，將每個(gè)偏移測(cè)量點(diǎn) 上的最優(yōu)控制頻率擬合為整個(gè)偏移范圍內(nèi)無(wú)線充電系統(tǒng)最優(yōu)控制頻率f；pt與偏移距離d之 間的函數(shù)關(guān)系f；pt (d)，并將該函數(shù)關(guān)系作為頻率控制曲線。
[0023] 所述步驟E中的擬合過(guò)程可采用最小二乘法、多項(xiàng)式擬合法、拉格朗日插值法、牛 頓插值法、區(qū)間二分法、雅克比迭代法等方法。
[0024] 所述步驟F中，將最優(yōu)控制頻率與偏移距離的函數(shù)關(guān)系f_ (d)描述的頻率控制曲 線，以編程的方式寫(xiě)入系統(tǒng)控制器中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移容忍度的控制目的。
[0025] 所述步驟F中只有最終的計(jì)算結(jié)果，即頻率控制曲線在控制器中運(yùn)行，而頻率曲 線的具體計(jì)算過(guò)程不會(huì)體現(xiàn)在控制程序的編制中，這就大大簡(jiǎn)化了控制的復(fù)雜度，提高了 控制速度。
[0026] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0027] 1、控制方法建立在高精度無(wú)線充電系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確性高；
[0028] 2、采用實(shí)際測(cè)量的模型參數(shù)，在復(fù)雜實(shí)際環(huán)境下具有良好的應(yīng)用效果；
[0029] 3、簡(jiǎn)化了控制復(fù)雜度，提高了控制速度。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明提高無(wú)線充電系統(tǒng)偏移容忍度控制方法的流程圖；
[0031] 圖2為應(yīng)用本發(fā)明的無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中建立的四線圈結(jié)構(gòu)無(wú)線充電系統(tǒng)模型。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0034] 應(yīng)用本發(fā)明控制方法的無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。所述的無(wú)線充電系統(tǒng)包 括系統(tǒng)電源201、逆變器202、無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路203、整流器204、系統(tǒng)負(fù) 載205、以及系統(tǒng)控制器206。系統(tǒng)電源201為整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)提供電能，逆變器202的 輸入端與系統(tǒng)電源201相連，將電源提供的電能轉(zhuǎn)化為高頻交流電；逆變器202的輸出端與 無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路203相連，通過(guò)無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路 203使得逆變器202轉(zhuǎn)化的高頻交流電以空間電磁場(chǎng)的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸；整流器204的 輸入端與無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路203相連，將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)化為直 流電，最終為與整流器204輸出端連接的系統(tǒng)負(fù)載205供電；上述部件之間通過(guò)電纜連接。 系統(tǒng)控制器206通過(guò)改變逆變器202中電力電子器件的開(kāi)關(guān)頻率對(duì)整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行 控制，系統(tǒng)控制器206與逆變器202之間通過(guò)電線連接。
[0035] 以下通過(guò)具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0036] 本實(shí)施例中，采用本發(fā)明控制方法提高一種四線圈結(jié)構(gòu)、采用串聯(lián)電容進(jìn)行阻抗 匹配的無(wú)線充電系統(tǒng)的偏移容忍度，具體步驟如下：
[0037] 步驟A、建立包含系統(tǒng)電源、逆變器、無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路、整流器 和系統(tǒng)負(fù)載的無(wú)線充電系統(tǒng)模型。
[0038] 將系統(tǒng)電源和逆變器綜合考慮作為無(wú)線充電系統(tǒng)模型的源Us;并將整流器和系統(tǒng) 負(fù)載綜合考慮作為無(wú)線充電系統(tǒng)模型的負(fù)載4。無(wú)線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路的建 模過(guò)程中考慮四個(gè)線圈的自電感U、L2、L3、L4,互電感M12、M13、M14、M23、M24、M34，雜散電阻札、 R2、R3、R4，以及四個(gè)線圈的串聯(lián)匹配電容Cpc2、c3、c4,進(jìn)而得到四線圈結(jié)構(gòu)、采用串聯(lián)電容 進(jìn)行阻抗匹配的無(wú)線充電系統(tǒng)的模型，如圖3所示。其中，模型的源Us、第一線圈的自電感 U、第一線圈的串聯(lián)匹配電容Ci和第一線圈回路中的雜散電阻1^串聯(lián)構(gòu)成第一線圈回路； 第二線圈的自電感L2、第二線圈的串聯(lián)匹配電容C2和第二線圈回路中的雜散電阻1?2串聯(lián)構(gòu) 成第二線圈回路；第三線圈的自電感L3、第三線圈的串聯(lián)匹配電容c3和第三線圈回路中的 雜散電阻馬串聯(lián)構(gòu)成第三線圈回路；模型的負(fù)載Zp第四線圈自電感1^4、第四線圈的串聯(lián)匹 配電容c4和第四線圈回路中的雜散電阻1?4串聯(lián)構(gòu)成第四線圈回路；互電感m12、m13、m14、m23、 m24、m34用以表示線圈之間的感性耦合作用。