CN111682658B - 一种用于无线电能传输lpe位置检测的谐振腔恒流控制***及其控制方法 - Google Patents

一种用于无线电能传输lpe位置检测的谐振腔恒流控制***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***及其控制方法。所述谐振腔恒流控制机构包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边变换器和副边控制器，所述原边控制器与原边逆变器相连接，所述原边逆变器通过磁耦合机构与副边变换器相连接，所述副边变换器与副边控制器相连接。本发明在LPE条件下调定谐振腔内电流恒定，减少了磁场变化的因素，从而提升接收端位置检测的精度。

Description

一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制*** 及其控制方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体涉及一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***及其控制方法。
背景技术
无线电能传输***工作的基本原理由麦克斯韦方程组主导，其具体工作原理可描述为：一个发射线圈在高频交变电流的驱动下产生了时变的磁场，再由一个接收线圈产生感应电压将能量传到负载。此外，双边会通过额外的电容或电感拓扑使***达到谐振，进而提高能量传输效率。根据电源和负载的形式不同，***往往在原边采用逆变器将直流源变为高频电流，在副边采用整流器将交流转换为直流再输入负载。
耦合机构的位置检测作为无线电能传输***辅助功能的研究重点之一，对于该领域的工程化和产业化具有重要意义。其具体表现在于为副边耦合机构提供了精准的相对位置信息，对副边加以引导从而实现耦合机构的正对。有了位置检测，耦合机构的抗偏移要求就会显著下降，降低了设计成本以及***的复杂度。低功率激励(LPE,Low PowerExcitation)即在位置检测的过程中原边的输出功率远小于***额定功率的来满足检测装置的检测范围以及保证***的安全性。对于***采用S-S等在安全性上具有劣势的拓扑时，LPE在耦合机构对正开始充电前尤为重要。
***采用S-S拓扑时***谐振模型如图1，对于S-S拓扑进行电路建模可以得到其原副边的谐振腔电流大小为，
Figure GDA0002611065080000011
现有技术采用检测线圈进行检测的灵敏度受***能量传输功率影响大，在低功率模式下检测线圈测量精度受限，且需要可靠度高的信号处理电路。
现有技术检测时需要进行检测线圈与主线圈解耦，控制理论和算法复杂并且难以实现。
现有对于磁感应强度的检测方法都不考虑原副边耦合机构相对位置变化时导致的互感变化从而影响到谐振腔电流。而谐振腔电流会极大的影响磁感应强度，决定了检测的精确程度。
发明内容
本发明提供一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制方法，在LPE条件下调定谐振腔内电流恒定，减少了磁场变化的因素，从而提升接收端位置检测的精度。
本发明通过以下技术方案实现：
一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***，所述谐振腔恒流控制***包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边变换器和副边控制器，所述原边控制器与原边逆变器相连接，所述原边逆变器通过磁耦合机构与副边变换器相连接，所述副边变换器与副边控制器相连接，
所述原边控制器包括原边电流检测，所述原边电流检测发射电流IP，所述电流IP通过计算得到原边ΔIP，所述原边ΔIP通过WIFI传输到副边控制器，所述副边控制器通过原边ΔIP计算副边期望Req，通过所述副边期望Req再去计算副边驱动信号，所述副边驱动信号传输到副边变换器；
所述副边变换器包括副边电流检测，所述副边电流检测接收线圈电流IS，所述电流IS通过计算得到副边ΔIS，所述副边ΔIS通过WIFI传输到原边控制器，所述原边控制器通过副边ΔIS计算原边期望vinv，通过所述原边期望vinv再去计算原边驱动信号，所述原边驱动信号传输到原边控制器。
一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***的控制方法，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：副边利用交流霍尔传感器采集得到副边谐振腔电流IS，将该值与***预设值作差得到ΔIS，利用双边WIFI通信将发送至原边控制器；
步骤2：原边控制器利用该值计算逆变器中MOSFET所期望的导通角和占空比，通过调节逆变器或者输入的DC电压，将副边的谐振腔电流调至参考值；
步骤3：原边再利用交流霍尔传感器采集得到副边谐振腔电流IP，将该值与***预设值作差得到ΔIP，利用双边WIFI通信将发送至副边控制器；
步骤4：副边控制器利用该值计算副边所期望的等效负载阻抗，通过调节可控整流的导通角等参数将等效负载阻抗调至期望值，从而完成对原边电流的调节；
步骤5：耦合机构的副边不断移动时，不断重复步骤1-4可以使原副边谐振腔内的电流达到恒定；
步骤6：***完成LPE位置检测后，进行大功率充电，逆变器恢复正常工作状态，可控整流恢复调节最佳负载，调节电流环节完成。
进一步的，所述原边逆变器采用全桥逆变，所述副边变换器采用可控整流，拓扑选择S-S结构，所述耦合机构无要求。
进一步的，当副边耦合机构移动到原边附近时，开启无线电能传输LPE模式，输出300-500W功率。
进一步的，设定原边参考电流IP_ref，测量原边线圈电流IP，原边线圈电流IP与原边参考电流IP_ref做差得到ΔIP，公式为ΔIP＝IP-IP_ref并发送至副边，副边计算Req *并控制整流；
设定副边参考电流IS_ref，测量副边线圈电流IS，副边线圈电流IS与副边参考电流IS_ref做差得到ΔIS，公式为ΔIS＝IS-IS_ref并发送至原边，原边计算vinv *并控制逆变。
本发明的有益效果是：
1.本发明在互感变化的情况下可以保证原副边的谐振腔电流的稳定，进而保证检测精度。
2.本发明电流的调节可在S-S拓扑下完成，***结构简单，控制方法简单有效。
3.本发明考虑到互感的变化趋势，采用一级可控整流来定向调节电流，省去了副边Boost或Buck电路，在整流的同时完成对电流的调节，减少多级电路带来的低效率和高成本。
附图说明
图1本发明的S-S拓扑***谐振模型结构示意图。
图2本发明的谐振腔恒流控制框图。
图3本发明的双边控制算法流程图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图2所示，一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***，所述谐振腔恒流控制***包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边变换器和副边控制器，所述原边控制器与原边逆变器相连接，所述原边逆变器通过磁耦合机构与副边变换器相连接，所述副边变换器与副边控制器相连接，
所述原边控制器包括原边电流检测，所述原边电流检测发射线圈电流IP，所述电流IP通过计算得到原边ΔIP，所述原边ΔIP通过WIFI传输到副边控制器，所述副边控制器通过原边ΔIP计算副边期望Req，通过所述副边期望Req再去计算副边驱动信号，所述副边驱动信号传输到副边变换器；
所述副边变换器包括副边电流检测，所述副边电流检测接收线圈电流IS，所述电流IS通过计算得到副边ΔIS，所述副边ΔIS通过WIFI传输到原边控制器，所述原边控制器通过副边ΔIS计算原边期望vinv，通过所述原边期望vinv再去计算原边驱动信号，所述原边驱动信号传输到原边控制器。
如图3所示，一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***的控制方法，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：副边利用交流霍尔传感器采集得到副边谐振腔电流IS，将该值与***预设值作差得到ΔIS，利用双边WIFI通信将发送至原边控制器；
步骤2：原边控制器利用该值计算逆变器中MOSFET所期望的导通角和占空比，通过调节逆变器或者输入的DC电压，将副边的谐振腔电流调至参考值；
步骤3：原边再利用交流霍尔传感器采集得到副边谐振腔电流IP，将该值与***预设值作差得到ΔIP，利用双边WIFI通信将发送至副边控制器；
步骤4：副边控制器利用该值计算副边所期望的等效负载阻抗，通过调节可控整流的导通角等参数将等效负载阻抗调至期望值，从而完成对原边电流的调节；
步骤5：耦合机构的副边不断移动时，不断重复步骤1-4可以使原副边谐振腔内的电流达到恒定；
步骤6：***完成LPE位置检测后，进行大功率充电，逆变器恢复正常工作状态，可控整流恢复调节最佳负载，调节电流环节完成。
进一步的，所述原边逆变器采用全桥逆变，所述副边变换器采用可控整流，拓扑选择S-S结构，所述耦合机构无要求。
进一步的，当副边耦合机构移动到原边附近时，开启无线电能传输LPE模式，输出300-500W功率。
如图3所示，进一步的，设定原边参考电流IP_ref，测量原边线圈电流IP，原边线圈电流IP与原边参考电流IP_ref做差得到ΔIP，公式为ΔIP＝IP-IP_ref并发送至副边，副边计算Req *并控制整流；
设定副边参考电流IS_ref，测量副边线圈电流IS，副边线圈电流IS与副边参考电流IS_ref做差得到ΔIS，公式为ΔIS＝IS-IS_ref并发送至原边，原边计算vinv *并控制逆变。
实施例2
对于常见的圆形和方形耦合机构来说，互感会随着线圈的相对位置变化而变化，其中又以正对情况下互感最大。耦合机构位置变化带来的某一点的磁场变化分两种原因：1)线圈相对位置改变导致的叠加后的磁场变化；2)线圈中电流强度变化带来的磁场变化。通过LPE进行磁场的检测从而确定接收端位置的方法需要同时分辨这两个因素导致的磁场变化。当通过人为的控制方法将双边谐振腔中的电流控制为恒定时，第二个导致磁场变化的因素即消失，为磁场检测减少了变量，从而提升检测的精度。
在采用S-S拓扑的***中，原副边谐振腔中的电流关系较为简单和明确(如式1)。由该式可发现，当耦合机构存在偏移而导致互感变化时，可先调节逆变器电压使得副边电流保持恒定，在此基础上，再通过一定手段调节等效负载电阻即可保持原边电流恒定。由于存在偏移时的耦合机构互感会下降，所需要调整的等效负载电阻也需要调小，故利用可控整流的阻抗变换特点采用其作为副边的整流环节。通过逆变器和可控整流的调整，原副边线圈中的电流达到了恒定减少了一个影响磁场变化的因素。
开始工作时，根据LPE要求以及设计好的工况采取小功率输出，并且按照设计确定原副边参考电流。分别利用交流霍尔电流传感器对双边谐振腔内电流进行测量，并在本地计算与参考电流的差。计算完毕后通过双边控制器的WIFI功能发送到对方控制器。之后双方根据接收到的信息计算需要调整的参量值并且给予逆变器和可控整流相应的控制信号使其输出达到预期值。一次控制过程即可达到理想调节目标，当耦合机构相对位置不断变化时，则需不断重复上述过程，达到电流恒定的目标。

Claims (5)

1.一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***，其特征在于，所述谐振腔恒流控制***包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边变换器和副边控制器，所述原边控制器与原边逆变器相连接，所述原边逆变器通过磁耦合机构与副边变换器相连接，所述副边变换器与副边控制器相连接，
所述原边控制器包括原边电流检测，所述原边电流检测发射线圈电流IP，所述电流IP通过计算得到原边ΔIP，所述原边ΔIP通过WIFI传输到副边控制器，所述副边控制器通过原边ΔIP计算副边期望Req，通过所述副边期望Req再去计算副边驱动信号，所述副边驱动信号传输到副边变换器；
所述副边控制器包括副边电流检测，所述副边电流检测接收线圈电流IS，所述电流IS通过计算得到副边ΔIS，所述副边ΔIS通过WIFI传输到原边控制器，所述原边控制器通过副边ΔIS计算原边期望vinv，通过所述原边期望vinv再去计算原边驱动信号，所述原边驱动信号传输到原边逆变器。
2.根据权利要求1所述一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***的控制方法，其特征在于，所述控制方法具体包括以下步骤：
步骤1：副边利用交流霍尔传感器采集得到副边谐振腔电流IS，将该值与副边参考电流IS_ref作差得到ΔIS，利用双边WIFI通信将发送至原边控制器；
步骤2：原边控制器利用ΔIS计算逆变器中MOSFET所期望的导通角和占空比，通过调节逆变器或者输入的DC电压，将副边的谐振腔电流调至参考值；
步骤3：原边再利用交流霍尔传感器采集得到原边谐振腔电流IP，将该值与原边参考电流IP_ref作差得到ΔIP，利用双边WIFI通信将发送至副边控制器；
步骤4：副边控制器利用ΔIP计算副边所期望的等效负载阻抗，通过调节可控整流的导通角等参数将等效负载阻抗调至期望值，从而完成对原边电流的调节；
步骤5：耦合机构的副边不断移动时，不断重复步骤1-4可以使原副边谐振腔内的电流达到恒定；
步骤6：***完成LPE位置检测后，进行大功率充电，逆变器恢复正常工作状态，可控整流恢复调节最佳负载，调节电流环节完成。
3.根据权利要求2所述一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***的控制方法，其特征在于，所述原边逆变器采用全桥逆变，所述副边变换器采用可控整流，拓扑选择S-S结构，所述耦合机构无要求。
4.根据权利要求2所述一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***的控制方法，其特征在于，当副边耦合机构移动到原边附近时，开启无线电能传输LPE模式，输出300-500W功率。
5.根据权利要求2所述一种用于无线电能传输LPE位置检测的谐振腔恒流控制***的控制方法，其特征在于，设定原边参考电流IP_ref，测量原边线圈电流IP，原边线圈电流IP与原边参考电流IP_ref做差得到ΔIP，公式为ΔIP＝IP-IP_ref并发送至副边，副边计算Req *并控制整流；
设定副边参考电流IS_ref，测量副边线圈电流IS，副边线圈电流IS与副边参考电流IS_ref做差得到ΔIS，公式为ΔIS＝IS-IS_ref并发送至原边，原边计算vinv *并控制逆变。
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