CN113315250A - Lcc-s型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法 - Google Patents

Lcc-s型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法 Download PDF

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Abstract

LCC‑S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，属于电能变换技术领域，本发明为解决现有LCC‑S型无线电能传输***的副边电流闭环控制方法依赖于原副边高速数据通讯，因而造成***动态响应差、实现成本高以及可靠性低的问题。它包括：首先设置副边线圈电流有效初始参考值，计算获得桥式变换器输出电流有效参考值，实时采集桥式变换器输出电流实时值，通过有效值计算模块获取桥式变换器输出电流实时有效值，将桥式变换器输出电流有效参考值与桥式变换器输出电流实时有效值做差，差值输入控制器中，控制器的输出作为调制策略模块的输入，调制策略模块的输出作为桥式变换器的控制信号。本发明用于LCC‑S型无线电能传输***中。

Description

LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，属于电能变换技术领域。
背景技术
无线电能传输技术与传统的接触式充电方式相比，大大简化了充电过程并且提高了充电装置的使用寿命，并具有安全、可靠等众多优点，在电动汽车、手机、航空和医疗等领域具有广阔的应用前景。
LCC-S型无线电能传输***具有抗原副边偏移能力强、谐振频率调整方便灵活以及原边电流幅值与负载无关等诸多优点，因此成为了无线电能传输领域的重要发展方向。但是，对于LCC-S型无线电能传输***而言，需要实时控制副边电流以实现负载充电功率的精确控制。目前常用的方案是实时检测副边电流，并通过原副边的高速数据通讯将副边电流反馈到原边，从而实现副边电流的闭环控制。然而这种方案依赖高速通讯手段，无法使用***自带的用于信息监测的通讯通道，无疑增加了***成本，而且***可靠性严重依赖通讯通道的连接牢固性，存在较大风险，降低了实用性。
发明内容
本发明目的是为了解决LCC-S型无线电能传输***的副边电流闭环控制方法依赖于原副边高速数据通讯，因而造成***动态响应差、实现成本高以及可靠性低的问题，提供了一种LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法。
本发明所述LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，所述LCC-S型无线电能传输***包括桥式变换器、电感Lf、电容Cf、电容Cp、发射线圈Lp、接收线圈Ls、电容Cs和整流器；
桥式变换器的第一交流输出端连接电感Lf的一端，电感Lf的另一端同时连接电容Cf的一端和电容Cp的一端，电容Cp的另一端连接发射线圈Lp的一端；
桥式变换器的第二交流输出端连接电容Cf的另一端和发射线圈Lp的另一端；
接收线圈Ls的一端连接电容Cs的一端，电容Cs的另一端连接整流器的第一交流输入端，接收线圈Ls的另一端连接整流器的第二交流输入端；
该控制方法包括：
S1、***启动，设置标志位k＝1，设置发射线圈Lp和接收线圈Ls的互感M的初始值，设置副边线圈电流有效初始参考值
Figure BDA0003092815220000021
S2、将
Figure BDA0003092815220000022
与互感M相乘，然后除以电感Lf，获得桥式变换器输出电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000023
实时采集桥式变换器输出电流实时值iLf，将iLf输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流实时有效值ILf；
将
Figure BDA0003092815220000024
与ILf相减，差值输入至控制器中，控制器的输出Uab作为调制策略模块的输入，调制策略模块的输出作为桥式变换器的控制信号；
S3、判断标志位k，如果k＝3返回执行S2，否则执行S4；
S4、判断***是否达到稳态，如果未达到稳态则使
Figure BDA0003092815220000025
保持不变，然后返回执行S2，如果达到稳态执行S5；
S5、判断标志位k的值：
如果k＝1，实时采集桥式变换器输出电流实时值，更新为iLf(1)，将iLf(1)输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流实时有效值，更新为ILf(1)，
实时采集原边线圈电流实时值iLp(1)，将iLp(1)输入有效值计算模块中，输出原边线圈电流有效值ILp(1)，
采集副边输出电压当前值Uo(1)，通过通讯接口传输至原边，
令k＝2，设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000026
然后返回执行S2；
如果k＝2，实时采集桥式变换器输出电流实时值，更新为iLf(2)，将iLf(2)输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流有效值，更新为ILf(2)，
实时采集原边线圈电流实时值，更新为iLp(2)，将iLp(2)输入有效值计算模块中，输出原边线圈电流实时值有效值，更新为ILp(2)，
采集副边输出电压当前值Uo(2)，通过通讯接口传输至原边，
计算获得互感M的值：
Figure BDA0003092815220000031
其中：
Figure BDA0003092815220000032
令k＝3，然后返回执行S2；
如果k＝3，设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000033
然后返回执行S2。
优选的，所述控制器采用比例积分控制器。
优选的，所述调制策略模块采用移相调制策略模块或脉宽调制策略模块。
本发明的优点：本发明提出的LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，在不采用原副边高速数据通讯的前提下实现了对LCC-S型无线电能传输***的副边电流的间接闭环控制，从而大幅提高了***的动态响应性能，并通过辨识互感提高了副边电流稳态控制精度，同时有效降低了实现成本以及提高了***的可靠性。具有如下优点：
1、通过对原边电流实时闭环控制和互感的在线辨识，间接实现了副边电流的高精度控制，保证了***优良的动静态控制性能；
2、副边电流无需实时参与闭环控制，避免原副边使用高速数据通讯，显著降低了***实现成本，并提高了***可靠性。
附图说明
图1是本发明所述LCC-S型无线电能传输***的结构示意图；
图2是本发明所述LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法的原理图。
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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，所述LCC-S型无线电能传输***包括桥式变换器、电感Lf、电容Cf、电容Cp、发射线圈Lp、接收线圈Ls、电容Cs和整流器；
桥式变换器的第一交流输出端连接电感Lf的一端，电感Lf的另一端同时连接电容Cf的一端和电容Cp的一端，电容Cp的另一端连接发射线圈Lp的一端；
桥式变换器的第二交流输出端连接电容Cf的另一端和发射线圈Lp的另一端；
接收线圈Ls的一端连接电容Cs的一端，电容Cs的另一端连接整流器的第一交流输入端，接收线圈Ls的另一端连接整流器的第二交流输入端；
该控制方法包括：
S1、***启动，设置标志位k＝1，设置发射线圈Lp和接收线圈Ls的互感M的初始值，设置副边线圈电流有效初始参考值
Figure BDA0003092815220000041
S2、将
Figure BDA0003092815220000042
与互感M相乘，然后除以电感Lf，获得桥式变换器输出电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000043
实时采集桥式变换器输出电流实时值iLf，将iLf输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流实时有效值ILf；
将
Figure BDA0003092815220000044
与ILf相减，差值输入至控制器中，控制器的输出Uab作为调制策略模块的输入，调制策略模块的输出作为桥式变换器的控制信号；
S3、判断标志位k，如果k＝3返回执行S2，否则执行S4；
S4、判断***是否达到稳态，如果未达到稳态则使
Figure BDA0003092815220000045
保持不变，然后返回执行S2，如果达到稳态执行S5；
S5、判断标志位k的值：
如果k＝1，实时采集桥式变换器输出电流实时值，更新为iLf(1)，将iLf(1)输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流实时有效值，更新为ILf(1)，
实时采集原边线圈电流实时值iLp(1)，将iLp(1)输入有效值计算模块中，输出原边线圈电流有效值ILp(1)，
采集副边输出电压当前值Uo(1)，通过通讯接口传输至原边，
令k＝2，设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000051
然后返回执行S2；
如果k＝2，实时采集桥式变换器输出电流实时值，更新为iLf(2)，将iLf(2)输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流有效值，更新为ILf(2)，
实时采集原边线圈电流实时值，更新为iLp(2)，将iLp(2)输入有效值计算模块中，输出原边线圈电流实时值有效值，更新为ILp(2)，
采集副边输出电压当前值Uo(2)，通过通讯接口传输至原边，
计算获得互感M的值：
Figure BDA0003092815220000052
其中：
Figure BDA0003092815220000053
令k＝3，然后返回执行S2；
如果k＝3，设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000054
然后返回执行S2。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述控制器采用比例积分控制器。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述调制策略模块采用移相调制策略模块或脉宽调制策略模块。
下面结合图1和图2说明本发明的工作原理：对于图1所示的LCC-S型无线电能传输***，原边线圈电流有效值和副边线圈电流有效值之间的稳态关系是ILs＝ILf(Lf/M)，因此理论上可以通过对原边线圈电流有效值的闭环控制实现对副边线圈电流有效值的精确控制。下面简要分析控制过程：首先设置副边线圈电流有效初始参考值
Figure BDA0003092815220000061
与互感M相乘后除以电感Lf，获得桥式变换器输出电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000062
实时采集桥式变换器输出电流实时值iLf，并通过有效值计算模块获得原边电流有效值桥式变换器输出电流实时有效值ILf。将
Figure BDA0003092815220000063
与ILf相减，其差值输入控制器，这里采用比例积分控制器，控制器的输出Uab作为调制策略模块的输入，调制策略模块可以采用移相调制策略模块，也可以采用脉宽调制策略模块，由调制策略模块获得所述桥式变换器中各个功率开关器件的控制信号，由此完成对副边电流有效值的间接闭环控制。由上述闭环控制算法的工作原理可知，无需副边电气量信息的参与，因此理论上无需将副边各电气量信息通过高速通讯接口传输到原边，相比于传统基于副边电流有效值直接闭环控制的方案，实现成本明显降低，而且由于整个过程中无需副边电气量信息，也避免了传统方案中，在实时控制过程中由于原副边通讯突然中断而导致***处于不可控状态等问题，也由此提高了***可靠性。
在实际***中，原副边线圈的互感M由于二者相对位置变化等因素会发生变化，由此会导致副边电流的稳态控制精度下降。为解决此问题，本发明在上述原边电流有效值闭环控制的基础上，在每次***启动时对互感M进行辨识。其基本工作过程如下：***启动时，首先设置互感M的初始值以及副边线圈电流有效初始参考值
Figure BDA0003092815220000064
并进行实时闭环控制。若所采集到的原边电流不再发生变化时，认为***处于稳态，此时采集原边电流有效值、原边线圈电流的有效值和副边输出电压，进一步设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure BDA0003092815220000065
在***达到新的稳态时，根据这两次采集到的原边电流有效值、原边线圈电流的有效值和副边输出电压对互感M进行辨识，并对互感M进行更新，在此之后，***恢复到正常状态，即接收外部的副边电流有效值参考，根据外部需要实时传输期望功率到副边。
由上述互感M的辨识过程可知，只需知道两次副边输出电压值，所需信息量非常小，而且无需高速通讯，借助于***自带的用于副边信息监控的原副边通讯接口即可。而且即使在原副边通讯断路的情况下，仍然可以保证***原边电流的闭环控制，从而保证***不会出现电流突变、器件烧毁等不可控问题。因此，本发明所述的发明方法在实现了副边电流高精度闭环控制的同时，有效降低了***实现成本，保证了***的可靠性。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (3)

1.LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，所述LCC-S型无线电能传输***包括桥式变换器、电感Lf、电容Cf、电容Cp、发射线圈Lp、接收线圈Ls、电容Cs和整流器；
桥式变换器的第一交流输出端连接电感Lf的一端，电感Lf的另一端同时连接电容Cf的一端和电容Cp的一端，电容Cp的另一端连接发射线圈Lp的一端；
桥式变换器的第二交流输出端连接电容Cf的另一端和发射线圈Lp的另一端；
接收线圈Ls的一端连接电容Cs的一端，电容Cs的另一端连接整流器的第一交流输入端，接收线圈Ls的另一端连接整流器的第二交流输入端；
其特征在于，该控制方法包括：
S1、***启动，设置标志位k＝1，设置发射线圈Lp和接收线圈Ls的互感M的初始值，设置副边线圈电流有效初始参考值
Figure FDA0003092815210000011
S2、将
Figure FDA0003092815210000012
与互感M相乘，然后除以电感Lf，获得桥式变换器输出电流有效参考值
Figure FDA0003092815210000013
实时采集桥式变换器输出电流实时值iLf，将iLf输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流实时有效值ILf；
将
Figure FDA0003092815210000014
与ILf相减，差值输入至控制器中，控制器的输出Uab作为调制策略模块的输入，调制策略模块的输出作为桥式变换器的控制信号；
S3、判断标志位k，如果k＝3返回执行S2，否则执行S4；
S4、判断***是否达到稳态，如果未达到稳态则使
Figure FDA0003092815210000015
保持不变，然后返回执行S2，如果达到稳态执行S5；
S5、判断标志位k的值：
如果k＝1，实时采集桥式变换器输出电流实时值，更新为iLf(1)，将iLf(1)输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流实时有效值，更新为ILf(1)，
实时采集原边线圈电流实时值iLp(1)，将iLp(1)输入有效值计算模块中，输出原边线圈电流有效值ILp(1)，
采集副边输出电压当前值Uo(1)，通过通讯接口传输至原边，
令k＝2，设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure FDA0003092815210000021
然后返回执行S2；
如果k＝2，实时采集桥式变换器输出电流实时值，更新为iLf(2)，将iLf(2)输入有效值计算模块中，输出桥式变换器输出电流有效值，更新为ILf(2)，
实时采集原边线圈电流实时值，更新为iLp(2)，将iLp(2)输入有效值计算模块中，输出原边线圈电流实时值有效值，更新为ILp(2)，
采集副边输出电压当前值Uo(2)，通过通讯接口传输至原边，
计算获得互感M的值：
Figure FDA0003092815210000022
其中：
Figure FDA0003092815210000023
令k＝3，然后返回执行S2；
如果k＝3，设置新的副边线圈电流有效参考值
Figure FDA0003092815210000024
然后返回执行S2。
2.根据权利要求1所述的LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，其特征在于，所述控制器采用比例积分控制器。
3.根据权利要求1所述的LCC-S型无线电能传输***的副边电流间接闭环控制方法，其特征在于，所述调制策略模块采用移相调制策略模块或脉宽调制策略模块。
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