CN108551211A - 一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，包括以下步骤：构建移动式无线电能传输***，该***的电路包括依次连接的直流电源、原边调压电路、高频逆变电路、原边补偿电路、原边线圈、副边线圈、副边补偿电路、整流滤波电路、副边调压电路及负载；确定移动式无线电能传输***的电路参数；检测输出电压和副边线圈电流；结合上步骤检测得到的电路参数，调节原副边调压电路的占空比分别实现***效率最优和输出电压恒定。本发明在电动汽车运行过程中互感或者负载发生变化时，无需检测实时变化的互感以及负载即可实现***输出电压恒定以及效率最优，控制方便，易于实现。

Description

一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法。
背景技术
无线传输是一种安全便捷的电能传输方式，具有使用灵活方便、少维护、可适应恶劣环境、易于实现无人自动供电和移动式供电的优点。磁耦合谐振式无线电能传输技术较好地满足了距离、效率、功率和安全等方面的需求，在电动车、消费电子、传感器和植入设备等领域具有广阔的应用前景。在移动式电动汽车无线电能传输***中，由于原副边线圈之间耦合系数、负载等因素会发生随机变化，这样会降低***的效率和运行的稳定性、安全性。
传统的实现***效率最优的控制方法主要分为两类：一是利用互感检测技术实时检测***互感，通过阻抗匹配实现***效率最优，但是这种控制方式中实时检测互感比较困难；二是无需检测互感，通过增加扰动寻找***的最优效率点，这种控制方式会使***在最优效率点处发生振荡，造成能量浪费。因此，需要一种控制策略能够无需检测互感又不会使***在最优效率点处发生振荡，实现***高效率充电。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，包括以下步骤：
步骤1：构建移动式无线电能传输***，该***的电路包括依次连接的直流电源、原边调压电路、高频逆变电路、原边补偿电路、原边线圈、副边线圈、副边补偿电路、整流滤波电路、副边调压电路及负载；
步骤2：确定移动式无线电能传输***的电路参数；
步骤3：检测输出电压以及副边线圈电流；
步骤4：结合步骤3检测得到的电路参数，对移动式无线电能传输***进行闭环控制。
本发明进一步的改进在于，步骤1中，原边补偿电路采用LCC型补偿，副边补偿电路采用S型补偿；原副边调压电路均采用BUCK-BOOST电路；原边调压电路设置有阻抗匹配模块，该阻抗匹配模块根据检测得到的副边线圈电流控制原边调压电路的占空比；副边调压电路设置有恒压控制模块，该恒压控制模块的控制器采集输出电压，再将输出电压与输出电压的给定进行PI运算，然后将PI运算的结果限定幅值后作为副边调压电路的调制信号，进而控制副边调压电路的占空比。
本发明进一步的改进在于，步骤2中，电路参数包括直流电源电压值Uin、高频逆变电路工作角频率ω、原边补偿电路CP、C1的电容值，原边线圈LP、L1的电感值，副边电容C2的电容值、副边线圈L2的电感值以及原边线圈的串联等效电阻R1的阻值、副边线圈的串联等效电阻R2的阻值、负载RL的阻值以及输出电压UL。
本发明进一步的改进在于，高频逆变电路工作角频率ω与原边补偿电路及副边补偿电路的谐振角频率均相等。
本发明进一步的改进在于，步骤4中，实现***效率最优时原边占空比与副边线圈电流之间的关系如下：
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，相比传统闭环控制方法，本发明具有精度高，实施方便的优点。
进一步，本发明提出的闭环控制方法不需要检测实时变化的互感和负载，只需要检测副边耦合线圈电流，输出电压UL。
进一步，本发明提出的闭环控制方法保证输出电压恒定的同时使***在宽负载范围内实现效率最优。
附图说明
图1为移动式无线电能传输***；
图2为移动式无线电能传输***开环等效电路图；
图3为原边线圈及副边线圈电流波形图(M＝15μH，RL＝10Ω，Uref＝45V)；
图4为输出电压波形图(M＝15μH，RL＝10Ω，Uref＝45V)；
图5为原边线圈及副边线圈电流波形图(M＝20μH，RL＝20Ω，Uref＝45V)；
图6为输出电压波形图(M＝20μH，RL＝20Ω，Uref＝45V)。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
1)移动式无线电能传输***如图1所示。其中，电路***包括依次连接的直流输入模块、原边调压电路、高频逆变电路、原边谐振网络、副边谐振网络、整流桥、副边调压电路以及负载。
结合图1所示，所述直流输入模块由直流电源Uin组成，所述高频逆变电路为开关元件组成的全桥逆变电路，所述原边谐振网络为发射线圈和补偿电路组成的LCC型回路，所述副边谐振网络为接收线圈和补偿电路组成的S型(串联型)回路，所述整流桥为二极管组成的全桥整流电路，所述调压电路均为BUCK-BOOST电路。
所述原边调压电路设置有阻抗匹配模块，该模块根据负载以及检测得到的互感值控制原边调压电路占空比。副边调压电路设置有恒压控制模块，该模块根据输出电压采样值与输出电压参考值控制副边调压电路占空比。
2)移动式无线电能传输***的开环等效电路如图2所示，***效率为：
为了提高***效率，负载需要满足但是在电动汽车运行过程中，负载RL和互感M都是会发生变化的，折算到整流桥输入侧的电阻Rr-in与使***效率最优时的电阻Rr-in-ηmax不一定相等。因此，为了使***达到最大效率，需要增加阻抗匹配环节，通过调节原边BUCK-BOOST的占空比使等效电阻满足效率最大的条件。
3)如图2所示的无线电能传输***，接收线圈电流：
当***效率最优时，发射线圈与接收线圈电流关系如下：
若则
因此，当负载RL和互感M发生变化时，发射线圈与接收线圈电流只要满足的关系，即可实现***效率最优。此时，原边调压电路的占空比为：
实施例：
设定移动式无线电能传输***一组基本参数如表1所示。
表1
参数 数值
直流侧输入电压Uin 100V
逆变器开关频率fs 85kHz
补偿电感Lp 16.6607μH
补偿电容Cp 210.429nF
原边线圈电感L1 100μH
原边线圈补偿电容C1 42.0681nF
原边线圈等效串联电阻R1 0.5Ω
副边线圈电感L2 100μH
副边线圈补偿电容C2 35.06nF
副边线圈等效串联电阻R2 0.5Ω
原边调压电路电感Lin 100μH
原边调压电路工作频率fin 100kHz
原边输出滤波电容Cin 470μF
副边调压电路电感LL 100μH
副边调压电路工作频率fL 100kHz
输出滤波电容CL 2000μF
在移动式无线电能传输***中，采用输出电压恒定同时效率最优的闭环控制策略。这种控制策略下有两个控制变量：输入侧BUCK-BOOST的占空比d1和输出侧BUCK-BOOST的占空比d2，当M＝15μH，RL＝10Ω，Uref＝45V时，对于表1中的基本参数，可以得到在这种控制策略下，稳态时两个控制变量分别为：占空比d1为0.3423、d2为0.506。
仿真结果如图3和图4所示，实现***效率最高时，原副边线圈电流近似相等，同时输出电压恒定。
假设此时由于电动汽车的运行，负载RL和互感M发生了变化，变化后M＝20μH，RL＝20Ω，Uref＝45V。由于新的互感值未知，负载未知，***效率下降。此时不管是负载RL变化还是互感M变化，检测副边线圈的电流同时将其反馈到原边调节d1实现***效率最高，同时d2自动调节维持输出电压稳定。最终达到新的稳态时两个控制变量分别为：占空比d1为0.242、d2为0.565。
仿真结果如图5和图6所示，实现***效率最高时，原副边线圈电流近似相等，同时输出电压恒定。

Claims (5)

1.一种移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建移动式无线电能传输***，该***的电路包括依次连接的直流电源、原边调压电路、高频逆变电路、原边补偿电路、原边线圈、副边线圈、副边补偿电路、整流滤波电路、副边调压电路及负载；
步骤2：确定移动式无线电能传输***的电路参数；
步骤3：检测输出电压以及副边线圈电流；
步骤4：结合步骤3检测得到的电路参数，对移动式无线电能传输***进行闭环控制。
2.根据权利要求1所述的移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，其特征在于，步骤1中，原边补偿电路采用LCC型补偿，副边补偿电路采用S型补偿；原副边调压电路均采用BUCK-BOOST电路；原边调压电路设置有阻抗匹配模块，该阻抗匹配模块根据检测得到的副边线圈电流控制原边调压电路的占空比；副边调压电路设置有恒压控制模块，该恒压控制模块的控制器采集输出电压，再将输出电压与输出电压的给定进行PI运算，然后将PI运算的结果限定幅值后作为副边调压电路的调制信号，进而控制副边调压电路的占空比。
3.根据权利要求2所述的移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，其特征在于，步骤2中，电路参数包括直流电源电压值Uin、高频逆变电路工作角频率ω、原边补偿电路CP、C1的电容值，原边线圈LP、L1的电感值，副边电容C2的电容值、副边线圈L2的电感值以及原边线圈的串联等效电阻R1的阻值、副边线圈的串联等效电阻R2的阻值、负载RL的阻值以及输出电压UL。
4.根据权利要求3所述的移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，其特征在于，高频逆变电路工作角频率ω与原边补偿电路及副边补偿电路的谐振角频率均相等。
5.根据权利要求4所述的移动式无线电能传输***效率最优的闭环控制方法，其特征在于，步骤4中，实现***效率最优时原边占空比与副边线圈电流之间的关系如下：
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