CN111064239A - 一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，包括建立三维无线电能传输***的磁路模型和电路模型，通过电路分析获得各参数变量的约束关系，并基于约束关系获得不同自由度下负载的位置(磁位置)，实现负载的空间定位。同时，确定已知参数下三维无线充电***的优化目标及约束条件，再将非线性规划问题转化为线性规划问题，最后通过线性规划的方式实现负载接收功率的恒定。本发明可以实现负载不同自由度下的位置(磁位置)识别，并在此基础上实现负载接收功率的恒定，可以为三维无线充电***的应用及发展提供理论指导和技术支撑。

Description

一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法

技术领域

本发明涉及一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

近年来，无线电能传输(Wireless Power Transmission，WPT)技术已经广泛应用于电动汽车、手机、植入式医疗设备等领域中。然而，目前大多采用二维的无线充电***，收发线圈均具有“一对一”的对应关系，并且当接收线圈发生横向、纵向或者角度偏移时，收发线圈之间的互感会相应减弱，从而降低了***的传输性能，为了解决该问题，本领域的技术人员也在不断的尝试，但是目前的技术方案均不理想，因此，需要一种空间范围内负载的定位方法以及负载在不同姿态下的功率稳定控制方法，来提高无线充电***应用的灵活性、经济性。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，该方案包括三维无线电能传输***的磁路、电路建模、负载定位以及功率稳定控制，用于推动无线充电***的应用与发展。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立三维无线电能传输***的磁路模型和电路模型，通过电路分析获得各参数变量之间的约束关系；

步骤二：根据各参数变量之间的约束关系，采用联立方程的方法获得不同自由度下负载的磁位置，实现负载的空间定位；

步骤三：在获得负载磁位置的基础上，将非线性规划问题线性化后，采用线性规划算法在保证负载接收功率恒定的基础上实现负载的最大效率传输，具体包括初始值、步长限值量以及缩小系数的确定，目标函数、约束条件的建立，非线性问题线性化，求解线性规划，所求解是否满足非线性约束条件的判断以及收敛性判断。

作为本发明的一种改进，三维无线电能传输***的磁路模型，其中三维无线电能传输***由三个两两正交的线圈构成，并且分别位于xy平面、xz平面以及yz平面，各发射线圈分别与接收线圈耦合，记互感值分别为M₁、M₂和M₃。

作为本发明的一种改进，负载线圈所在位置处分别与xy平面、xz平面以及yz平面发射线圈之间的互感。在空间中负载的空间位置不一定，其接收到三个平面中发射线圈的功率也各不相同，当接收线圈正对某个平面的面积更大一些时，这个平面上的发射线圈可以为负载提供更大的功率，即如果只在一个或两个平面上有发射线圈，那么当线圈正对另一个平面的时候，很有可能不管怎么调节其余两个发射线圈的激励，都无法满足负载的功率或者效率需求。

作为本发明的一种改进，各发射线圈之间两两正交，因此任意两发射线圈之间的互感值为零。

作为本发明的一种改进，所述步骤一中具体如下，三维无线电能传输***电路模型，其中，C₁、C₂、C₃和C_s分别表示xy、xz、yz平面和接收线圈的处的谐振补偿电容，L₁、L₂、L₃和L_s分别表示xy、xz、yz平面和接收线圈的电感，R_p、R_s和R_L分别表示原、副线圈的内阻和负载等效电阻，

和

分别表示xy、xz和yz平面处谐振拓扑的输入电流源，各电流源互相独立并且可控，I_s为流过接收线圈处的电流，

和

分别为受控源两端的电压；

为保证***处于谐振状态，则

根据KVL方程，可以得到

求解可得负载端的电流为

因此，求解得到原边输入功率、负载输出功率以及负载效率分别为

作为本发明的一种改进，所述步骤二中，根据互感与输入功率、输出功率以及***效率的约束关系，采用联立方程的方法获得不同自由度下负载的磁位置，实现负载的空间定位，具体如下，

考虑到控制电流源位于接收线圈侧，若采用检测负载处电压、电流信息的方法来检测负载的定位(磁位置)，则原副线圈之间需要采用通信的方式，这极大的增加了装置的复杂度，并且在高频电磁场附近，通信设备不可避免的会受到干扰，因此，这里采用联立方程组的方法，通过对方程组的求解来实现负载的定位，从而获取负载所在位置处与各个发射线圈的互感值；

根据式(4)-(6)可知，在***参数(R_P、R_S、R_L、ω)以及输入电流(I₁、I₂和I₃)确定的情况下，各输入功率P₁、P₂以及P₃只与负载与各个线圈之间的互感有关，此外，各个线圈处的输入功率可以通过检测输入电压，根据P＝UI计算得到，因此，可以通过求解如下方程组获得负载的位置

作为本发明的一种改进，所述步骤三中，具体过程如下：

具体过程如下：

步骤1：确定初始值

步长限制值δ以及缩小系数β，其中

步骤2：确定目标函数和约束条件。根据效率、功率表达式(7)和(8)可以确定优化目标和约束条件为

步骤3：非线性问题线性化。通过泰勒展开的方法将非线性问题近似线性化，可以得到线性化以后的约束条件和目标函数为：

步骤4：采用线性规划算法进行求解；

步骤5：判断采用线性规划求解得到的解是否满足原非线性规划约束条件。如果满足并且收敛，则该解为近似最优解，否则，若不满足非线性约束条件则将步长限制值乘以缩小系数后的值作为步长限制值，并重复上述步骤进行重新迭代；若不收敛，则将所求解得到的最优解作为展开点3、根据权利要求1所述的三维无线电能产生***电路模型，其特征在于：各发射线圈分别接独立的谐振补偿拓扑，谐振补偿拓扑的输入为三个互相独立并且相位相同的可控电流源，通过对电流源幅值实现负载不同自由度下接收功率的恒定。

该方案将非线性问题转化为线性问题进行线性规划可以避免出现全局最优，所采用的方法为将优化目标进行三元函数的泰勒展开，将约束条件中的各参数分别进行泰勒展开，并且均展开至一次泰勒展开。

相对于现有技术，本发明的技术方案如下：1)该技术方案首先建立三维无线电能传输***的磁路、电路模型，从电路角度分析个参数变量之间的约束关系，然后基于上述约束关系实现负载的空间定位(磁位置)，最后采用成熟的线性规划算法，对输入电流源进行控制，使得在维持负载功率恒定的基础上实现***传输最大效率；2)该方案中的功率恒定方案可以减小因功率波动对电池造成的冲击，增加电池的使用寿命，从而进一步减小无线充电设备的生产成本以及电池更换频率；3)该方案的最大效率传输有助于保持在同样输入功率的情况下，负载端的接收功率最大，提高电能的使用效率，在相同输入功率下缩短充电时间；4)该方案有助于克服传输二维无线电能传输中因横向纵向偏移带来的功率、效率的跌落问题，扩大有效接收功率范围，有助于为当前小功率无线充电***的发展提供思路，为三维无线电能传输***的灵活性、经济性以及稳定性奠定基础；3)本发明的控制方法具有工程指导意义，可以为三维无线充电***的应用提供具体的指导。

附图说明

图1为三维无线电能传输***磁路模型图；

图2为三维无线电能传输***电路模型图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和实施方式对本发明的定位和控制方法做进一步说明。

实施例1：参照图1、图2，一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，包括以下步骤：

步骤一：建立三维无线电能传输***的磁路模型和电路模型，通过电路分析获得互感与输入功率、输出功率以及***效率的约束关系；

如图1为三维无线电能传输***的磁路模型，其中三维无线电能传输***由三个两两正交的线圈构成，并且分别位于xy平面、xz平面以及yz平面，各发射线圈分别与接收线圈耦合，记互感值分别为M₁、M₂和M₃。此外，由于各发射线圈之间两两正交，因此任意两发射线圈之间的互感值为零。

三维无线电能传输***电路模型如图2所示，其中，C₁、C₂、C₃和C_s分别表示xy、xz、yz平面和接收线圈的处的谐振补偿电容，L₁、L₂、L₃和L_s分别表示xy、xz、yz平面和接收线圈的电感，R_p、R_s和R_L分别表示原、副线圈的内阻和负载等效电阻，

和

分别表示xy、xz和yz平面处谐振拓扑的输入电流源，各电流源互相独立并且可控，I_s为流过接收线圈处的电流，

和

分别为受控源两端的电压。

为保证***处于谐振状态，则

根据KVL方程，可以得到

求解可得负载端的电流为

因此，可以求解得到原边输入功率、负载输出功率以及负载效率分别为

步骤二：根据互感与输入功率、输出功率以及***效率的约束关系，采用联立方程的方法获得不同自由度下负载的磁位置，实现负载的空间定位；

考虑到控制电流源位于接收线圈侧，若采用检测负载处电压、电流信息的方法来检测负载的定位(磁位置)，则原副线圈之间需要采用通信的方式，这极大的增加了装置的复杂度，并且在高频电磁场附近，通信设备不可避免的会受到干扰，因此，这里采用联立方程组的方法，通过对方程组的求解来实现负载的定位，从而获取负载所在位置处与各个发射线圈的互感值。

根据式(4)-(6)可知，在***参数(R_P、R_S、R_L、ω)以及输入电流(I₁、I₂和I₃)确定的情况下，各输入功率P₁、P₂以及P₃只与负载与各个线圈之间的互感有关，此外，各个线圈处的输入功率可以通过检测输入电压，根据P＝UI计算得到。因此，可以通过求解如下方程组获得负载的位置

步骤三：在获得负载磁位置的基础上，将非线性规划问题线性化后，采用线性规划算法在保证负载接收功率恒定的基础上实现负载的最大效率传输。具体包括初始值、步长限值量以及缩小系数的确定，目标函数、约束条件的建立，非线性问题线性化，求解线性规划，所求解是否满足非线性约束条件的判断以及收敛性判断。

在获得负载位置以后，为保证负载接收功率的恒定，需要调整输入电流值。考虑到该问题的求解为非线性问题，求解输入电流的方法可以直接采用非线性规划，也可先将非线性问题线性化，再通过线性规划的方法进行求解，由于前者会出现局部最优的情况，因此这里选用后者，具体过程如下：

步骤1：确定初始值

步长限制值δ以及缩小系数β，其中

步骤2：确定目标函数和约束条件。根据效率、功率表达式(7)和(8)可以确定优化目标和约束条件为

步骤3：非线性问题线性化。通过泰勒展开的方法将非线性问题近似线性化，可以得到线性化以后的约束条件和目标函数为

步骤4：采用线性规划算法进行求解；

步骤5：判断采用线性规划求解得到的解是否满足原非线性规划约束条件。如果满足并且收敛，则该解为近似最优解，否则，若不满足非线性约束条件则将步长限制值乘以缩小系数后的值作为步长限制值，并重复上述步骤进行重新迭代；若不收敛，则将所求解得到的最优解作为展开点。

需要说明的是，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：所述方法包括，

步骤一：建立三维无线电能传输***的磁路模型和电路模型，通过电路分析获得各参数变量之间的约束关系；

步骤二：根据各参数变量之间的约束关系，采用联立方程的方法获得不同自由度下负载的磁位置，实现负载的空间定位；

步骤三：在获得负载磁位置的基础上，将非线性规划问题线性化后，采用线性规划算法在保证负载接收功率恒定的基础上实现负载的最大效率传输，具体包括初始值、步长限值量以及缩小系数的确定，目标函数、约束条件的建立，非线性问题线性化，求解线性规划，所求解是否满足非线性约束条件的判断以及收敛性判断。

2.根据权利要求1所述的三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：三维无线电能传输***的磁路模型，其中三维无线电能传输***由三个两两正交的线圈构成，并且分别位于xy平面、xz平面以及yz平面，各发射线圈分别与接收线圈耦合，记互感值分别为M₁、M₂和M₃。

3.根据权利要求2所述的三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：负载线圈所在位置处分别与xy平面、xz平面以及yz平面发射线圈之间的互感。

4.根据权利要求3所述的三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：各发射线圈之间两两正交，因此任意两发射线圈之间的互感值为零。

5.根据权利要求1所述的三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：所述步骤一中具体如下，三维无线电能传输***电路模型，其中，C₁、C₂、C₃和C_s分别表示xy、xz、yz平面和接收线圈的处的谐振补偿电容，L₁、L₂、L₃和L_s分别表示xy、xz、yz平面和接收线圈的电感，R_p、R_s和R_L分别表示原、副线圈的内阻和负载等效电阻，

和

分别表示xy、xz和yz平面处谐振拓扑的输入电流源，各电流源互相独立并且可控，I_s为流过接收线圈处的电流，

和

分别为受控源两端的电压；

为保证***处于谐振状态，则

根据KVL方程，可以得到

求解可得负载端的电流为

因此，求解得到原边输入功率、负载输出功率以及负载效率分别为

6.根据权利要求1所述的三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：所述步骤二中，根据互感与输入功率、输出功率以及***效率的约束关系，采用联立方程的方法获得不同自由度下负载的磁位置，实现负载的空间定位，具体如下，

采用联立方程组的方法，通过对方程组的求解来实现负载的定位，从而获取负载所在位置处与各个发射线圈的互感值；

根据式(4)-(6)可知，在***参数(R_P、R_S、R_L、ω)以及输入电流(I₁、I₂和I₃)确定的情况下，各输入功率P₁、P₂以及P₃只与负载与各个线圈之间的互感有关，此外，各个线圈处的输入功率可以通过检测输入电压，根据P＝UI计算得到，因此，可以通过求解如下方程组获得负载的位置

7.根据权利要求1所述的三维无线充电***负载定位及功率恒定控制方法，其特征在于：所述步骤三中，具体过程如下：

具体过程如下：

步骤1：确定初始值

步长限制值δ以及缩小系数β，其中

步骤2：确定目标函数和约束条件。根据效率、功率表达式(7)和(8)可以确定优化目标和约束条件为

步骤3：非线性问题线性化。通过泰勒展开的方法将非线性问题近似线性化，可以得到线性化以后的约束条件和目标函数为：

步骤4：采用线性规划算法进行求解；

步骤5：判断采用线性规划求解得到的解是否满足原非线性规划约束条件。如果满足并且收敛，则该解为近似最优解，否则，若不满足非线性约束条件则将步长限制值乘以缩小系数后的值作为步长限制值，并重复上述步骤进行重新迭代；若不收敛，则将所求解得到的最优解作为展开点。

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