CN114678965A - 一种基于参数联合辨识的ipt***及充电控制方法 - Google Patents
一种基于参数联合辨识的ipt***及充电控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114678965A CN114678965A CN202210587083.3A CN202210587083A CN114678965A CN 114678965 A CN114678965 A CN 114678965A CN 202210587083 A CN202210587083 A CN 202210587083A CN 114678965 A CN114678965 A CN 114678965A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- identification
- iden
- parameter
- value
- battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000007600 charging Methods 0.000 title claims abstract description 80
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 28
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 26
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000010280 constant potential charging Methods 0.000 claims description 8
- 101100001677 Emericella variicolor andL gene Proteins 0.000 claims description 3
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 17
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 230000002146 bilateral effect Effects 0.000 description 4
- 238000010277 constant-current charging Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000001057 purple pigment Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000002945 steepest descent method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/44—Methods for charging or discharging
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
- H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
- H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
- H02J7/00714—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
- H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
- H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
- Y02T90/16—Information or communication technologies improving the operation of electric vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
本申请公开了一种基于参数联合辨识的IPT***及充电控制方法。该***包括充电控制模块，充电控制模块包括：传感器，用于在***启动后测量原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和发射线圈上的基波电流有效值I p_f ；参数辨识模块，用于基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行发射线圈与接收线圈间的互感辨识，还用于在***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和互感辨识值进行电池充电参数联合辨识；***控制模块，用于根据辨识获得的电池充电参数进行充电控制。本发明相较于传统利用无线通信模块的IPT***，无需通信模块，节省了***成本，减小了***复杂度，并解决了控制时延问题。
Description
技术领域
本申请涉及感应式电能传输技术领域，更具体地，涉及一种基于参数联合辨识的IPT***及充电控制方法。
背景技术
感应式电能传输（Inductive Power Transfer，IPT）技术因其具有非接触式供电、灵活方便、安全性高等优势，而引起广泛关注，研究成果及应用并延伸至包括电动汽车、医疗设备及轨道交通等行业。典型IPT***结构如图1，直流电源电压U dc 由市电经直流电源模块提供，高频交流逆变器将U dc 转换成高频交流电注入原边侧补偿网络，经原边侧补偿网络滤波后的高频交流电通过原、副边线圈L p 、L s 电磁感应至副边侧，再经副边侧补偿网络和副边整流滤波之后形成稳定的直流输出电压供电池充电。
为实现IPT充电***稳定的输出特性，典型的实现方式如图2。由于IPT***通常应用于非接触式供电，电池充电侧和原边控制器端通常分布在不同地点，因此需要通过布置无线通信模块来将电池充电侧的参数来传输给原边控制器进行充电控制。通过电压、电流传感器检测电池充电的实时充电电压U Bat 、充电电流I Bat ，并将所检测的到的U Bat 、I Bat 经无线通信模块反馈至原边侧控制器，原边侧控制器再根据实时接收到的U Bat 、I Bat 来控制原边侧直流电源模块的输出电压U dc 以实现恒定的输出供电池充电。
其存在的问题：(1)利用无线通信模块实现副边侧充电参数的反馈，增加了IPT***的成本和复杂性；(2)利用无线通信进行信息传输，传输时延较大，影响恒定输出调控的动态响应速度。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于参数联合辨识的IPT***及充电控制方法，相较于传统利用无线通信模块的IPT***，无需通信模块，节省了***成本，减小了***复杂度，并解决了控制时延问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种基于参数联合辨识的IPT***，包括逆变器、发射线圈、接收线圈、原边侧补偿网络、副边侧补偿网络以及充电控制模块，所述充电控制模块部署在所述***的原边侧，所述充电控制模块包括：
传感器，用于在所述***启动后测量所述原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和所述发射线圈上的基波电流有效值I p_f ；
参数辨识模块，用于基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行发射线圈与接收线圈间的互感辨识，获得的互感辨识值M iden ，还用于在***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和M iden 计算获得与所述***输出端连接的待充电电池的参数实时辨识值；
***控制模块，用于根据参数辨识模块获得的M iden 和所述待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的输入直流电压。
进一步地，所述待充电电池的参数实时辨识值的计算包括：
建立所述***正常充电阶段的等效电路图，其中将***等效负载等效为等效电阻R e 和等效电感L e 的串联；
根据所述等效电路图确定所述待充电电池的参数实时辨识值的计算公式，所述计算公式为关于M iden 、发射线圈参数、接收线圈参数、原边侧补偿网络参数、副边侧补偿网络参数和***角频率的函数。
进一步地，确定所述待充电电池的参数实时辨识值的计算公式包括步骤：
根据所述等效电路图确定R L ，R L 的计算公式为：
根据R L 计算R e 和L e ，R e 和L e 的计算公式为：
式中，ω为***角频率，L 2为副边侧补偿网络的串联补偿电感，C 2为副边侧补偿网络的并联补偿电容，C p 为原边侧补偿网络的串联补偿电容，L p 为发射线圈自感，R L2为L 2的杂散电阻，M=M iden 。
进一步地，所述参数辨识模块的一端通过有线与所述传感器电连接，所述参数辨识模块的另一端与所述***控制模块通过有线电连接。
进一步地，互感辨识时的***角频率ω iden 满足：
式中，L p 为所述发射线圈的自感，C p 为原边侧补偿网络的串联补偿电容，C 2为副边侧补偿网络的并联补偿电容，C s 为副边侧补偿网络的串联补偿电容，L s 为接收线圈自感。
进一步地，待充电电池的参数实时辨识值包括电池充电电压U Bat_iden 和电池充电电流I Bat_iden ，所述根据所述待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的直流输入电压包括：
若U Bat_iden 小于预设阈值U Bref ，通过控制逆变器的直流输入电压使得I Bat_iden 等于预设阈值I Bref ，若U Bat_iden 达到预设阈值U Bref 且I Bat_iden 大于最小充电电流阈值I min ，通过控制逆变器的直流输入电压使得U Bat_iden =U Bref ，保持恒压充电，若U Bat_iden 等于预设阈值U Bref 且I Bat_iden 等于最小充电电流阈值I min ，则充电结束。
进一步地，根据R L 的计算公式计算R L 包括步骤：
构建基于迭代计算的自适应滤波器，设置R L 的迭代初始值Rʹ L (1)，R L 的迭代满足R ʹ L (n+1)= Rʹ L (n)+2µe(n) |Z p |(n)，Rʹ L (n+1)为R L 的第n+1次迭代值，Rʹ L (n)为R L 的第n次迭代值，µ为迭代步长，将自适应滤波器的输出记为|Z p |ʹ，将Rʹ L (n)代入R L 计算得到的
记为|Z p |ʹ(n)，e(n)=|Z p |ʹ(n)-U c1_f / I p_f ，迭代R L ，直至自适应滤波器的输出|Z p |ʹ与U c1_f / I p_f 的差小于预设阈值，将此时R L 的迭代值作为R L 的计算值。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种基于互感和电池负载参数联合辨识的IPT***充电控制方法，所述***包括逆变器、发射线圈、接收线圈、原边侧补偿网络、副边侧补偿网络，所述方法包括：
在所述***启动后测量所述原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和所述发射线圈上的基波电流有效值I p_f ， ；
基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行所述发射线圈、所述接收线圈的互感辨识，获得互感辨识值M iden ，还用于在所述***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和M iden 计算获得与所述***输出端连接的待充电电池的参数实时辨识值，根据M iden 和所述待充电电池的参数实时辨识值控制所述逆变器的直流输入电压。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：不需要额外布置无线通信模块，只需要在***的原边侧部署充电控制模块，通过测量原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和发射线圈上的基波电流有效值I p_f ，来进行互感辨识，进而在***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和互感就可以直接计算获得待充电电池的参数实时辨识值，根据待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的直流输入电压，该***相较于传统利用无线通信模块的IPT***，无需通信模块，节省了***成本，减小了***复杂度，并解决了控制时延问题。且参数辨识只需要测量原边侧电压、电流的有效值，无需检测电压与电流之间的相位差，检测电路简单易实现。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中典型IPT***结构图；
图2为现有技术中基于无线通信模块的IPT***原理图；
图3为本申请实施例提供的基于参数联合辨识的IPT***原理图；
图4为本申请实施例提供的基于双面LCC补偿网络的IPT***基波等效电路；
图5为本申请实施例提供的稳态运行时的等效电路图；
图6和图7为本申请实施例提供的不同互感M时，R L 与
的对应关系图；
图8为传统滤波器原理图；
图9为本申请实施例提供的自适应滤波器原理图；
图10为本申请实施例提供的稳态运行时的另一等效电路图；
图11为本申请实施例提供的充电控制示意图；
图12为本申请实施例提供的充电控制流程图；
图13为本申请实施例提供的电池恒流充电波形图；
图14为本申请实施例提供的电池恒压充电波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括””和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本发明提出一种基于参数联合辨识的IPT***，包括逆变器、发射线圈、接收线圈、原边侧补偿网络、副边侧补偿网络以及充电控制模块，充电控制模块部署在***的原边侧，充电控制模块包括：传感器，用于在***启动后测量原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和发射线圈上的基波电流有效值I p_f ；参数辨识模块，用于基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行发射线圈与接收线圈间的互感辨识，获得的互感辨识值M iden ，还用于在***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和M iden 计算获得与所述***输出端连接的待充电电池的参数实时辨识值；***控制模块，用于根据参数辨识模块获得的M iden 和所述待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的输入直流电压。该***相较于传统利用无线通信模块的IPT***，无需通信模块，节省了***成本，减小了***复杂度，并解决了通信模块带来的控制时延问题。
进一步地，参数辨识模块的一端通过有线与传感器电连接，参数辨识模块的另一端与***控制模块通过有线电连接。
（1）总体框架及工作原理
双边LCC补偿网络因其谐振频率与负载和互感无关而具有明显优势，因此本发明实施例以基于双边LCC补偿网络的IPT***为例说明。图3为***工作原理图。本发明工作原理如下：电压传感器测量原边侧补偿电容C 1上的基波电压有效值U c1_f ，电流传感器测量原边侧线圈上的基波电流有效值I p_f 。在***启动过程，根据所测量的U c1_f 、I p_f 进行互感辨识，得互感辨识值M iden ；***继续启动至正常充电阶段后，根据所测量的U c1_f 、I p_f 进行电池参数的联合辨识，实时获得电池参数的辨识值U Bat_iden 、I Bat_iden 、R L_iden ；将实时辨识的电池充电电压U Bat_iden 、电池充电电流I Bat_iden 送入原边侧控制器，控制器根据电池充电参考值和实时辨识的U Bat_iden 、I Bat_iden 控制逆变器前端的DC/DC的占空比，以实现IPT***的恒定输出。其关键技术在于如何利用原边侧电压、电流信息辨识出电池负载充电参数，辨识方法在后续重点阐述。
（2）软启动过程实现互感辨识
基于双侧LCC补偿网络的IPT***拓扑结构如图4所示，该补偿网络由发射侧的L 1、C 1、C p 和接收端的L 2、C 2、C s 组成；L p 、L s 、M分别为发射线圈自感、接收线圈自感及两线圈间的互感值；R L1、R Lp 、R Ls 、R L2分别为L 1、L p 、L s 、L 2的杂散电阻；U Bat_initial 为待充电电池组的初始电压。
通过式（1）设计补偿网络参数，可实现与负载无关的恒流输出。
其中，ω o1、ω o2、ω o3和ω o4为谐振角频率，仅与补偿网络参数有关，与耦合系数k和负载无关。理想情况下，ω o1、ω o2、ω o3和ω o4应相等，但在实际应用中，由于参数偏移和逆变器保持软开关的需要，它们之间会存在较小偏差。
软启动过程中当负载解耦时，根据图4可得Z s 、Z sp 和Z p 的表达式分别如式(2)、(3)、(4)所示，
式中，Z s 为图4中副边侧等效阻抗，Z sp 为反射阻抗，Z p 为原边侧并联补偿电容后的等效阻抗，R s 为Z s 的实部，X s 为Z s 的虚部，ω为***角频率。
通过测量u c1的有效值U c1_f 和i p 的有效值I p_f ，建立关于M的等效阻抗模Z p 的方程，如式(5)。
其中，X Lp =ωL p -1/(ωC p )。
对等式(5)进行分析，并令
，求得三个极值点M 1，M 2，M 3：
综上可知，
关于M存在三个极值点，其中一个极值点为M 1=0，M 2,3的大小则由X Lp X s -R Lp R s 决定。M 2,3的存在意味着当M为正实数时，M与
为非一对一的对应关系，即在相同测量值的情况下，通过求解式(5)将出现M的多解情况。
假设
、
和
分别是
、
和
的谐振角频率，则根据式(1)、(2)和(4)有：
1)当
时，
。则此时，
，这意味着M 2,3无实数解；
2)当
时，
。则此时，
，这意味着M 2,3有实数解；
3)当
时，
。则此时，
，这同样意味着M 2,3有实数解。
综上分析，总结不同频率范围对互感辨识结果的影响如表1。
表1不同工作频率对互感识别结果的影响
因此，为避免在互感辨识阶段出现多解的情况，建议互感辨识时的***角频率ω iden 满足：
，即互感辨识时的***频率f iden ，满足：
。在该频率范围内进行互感辨识，此时根据所测量的U c1_f 和I p_f ，可得互感辨识值M iden 的唯一解，如式(7)。
综上，本发明建议在***软起动过程中，当负载解耦时，采用在
的频率范围内进行互感辨识，且互感辨识的计算公式如式(7)所示。
（3）正常充电阶段时的电池负载参数的联合辨识
现有的IPT***负载参数辨识方法主要存在两类问题：(1)以往负载参数辨识成果中，主要将整流器与电池连同等效为纯阻性负载，这对于SS拓扑的IPT***是适用的，但对于LCC-LCC的IPT***而言，其流入整流器的电流谐波含量较高，此时若仍用纯电阻来等效整流器等效负载，则会带来很大的辨识误差；(2)现有技术中没有将互感辨识结果结合电池的充电电压、充电电流辨识结果用作电池二阶段充电控制。
对于双边LCC补偿网络的IPT***，整流器等效负载，也即***等效负载应等效为等效电阻R e 和等效电感L e 的串联，如图5，图中Z e =R e +jωL e ，且R e 和L e 与***参数之间满足式(8)。
其中，R L= U Bat / I Bat ，U Bat 、I Bat 分别为电池组充电电压和充电电流。
将图5中副边侧串联补偿电容后电路的等效阻抗记为Z c2 ，将图5中副边侧等效阻抗记为Z s ，将图5中并联补偿电容后电路的等效阻抗记为Z p 。
正常充电阶段时，由于
，则此时Z c2 表达式可简化为如式(9)，
其中，
。
由式(9)推导并化简
的表达式如式(10)。
由式(9)、(10)可得Z p 如式(11)，
根据测量的U c1_f 和I p_f ，并联合式(8)、(10)、(11)可得|Z p |关于负载R L 的表达式，如式(12)，阻抗模|Z p |为一关于参数L 2、C 2、R L2、L p 、C p 、M、R L 、ω的函数，其中参数L 2、C 2、R L2、L p 、C p 、ω均已知，互感M则由前述互感辨识过程可获得，此时，M=M iden ，唯有等效负载R L 未知待辨识。
其中，
分析式(12)可发现，|Z p |为关于R L 的反函数，本申请目的是希望通过实时测量的
代入式(12)，并通过求解式(12)获得R L 的辨识值R L_iden 。然而，在实际数字信号处理中，像式(12)这类高阶隐函数无法直接计算出R L 的值。通过式(12)，不同互感M时，得到R L 随|Z p |变化的趋势图如图6、7所示，从图中可以看出，在R L >0时，R L 与|Z p |为一对一的对应关系，但在不同M处，R L 与|Z p |的对应关系不一样，因此无法简单的通过曲线拟合的方式解决得到不同M处R L 与|Z p |的对应关系。
为此，本发明根据实时测量的
，通过迭代R L ，使得迭代计算结果|Z p |ʹ=f (L 2, C 2, R L2, L p , C p , M iden , R L , ω)逼近实时测量的|Z p |。具体是：构建基于迭代计算的自适应滤波器，设置R L 的迭代初始值Rʹ L (1)，R L 的迭代满足Rʹ L (n+1)=
，Rʹ L (n+1)为R L 的第n+1次迭代值，Rʹ L (n)为R L 的第n次迭代值，µ为迭代步长，将自适应滤波器的输出记为|Z p |ʹ，将Rʹ L (n)代入R L 计算得到的
记为|Z p |ʹ(n)，e(n)=|Z p |ʹ(n)-U c1_f /I p_f ，迭代R L ，直至自适应滤波器的输出|Z p |ʹ与U c1_f / I p_f 的差小于预设阈值，即自适应滤波器的输出|Z p |ʹ逼近U c1_f / I p_f 。
图8为传统自适应滤波器原理图，将自适应滤波器用于本发明R L 辨识，其原理图如图9所示。在激励U c1_f 下，可通过测量此时的I p_f 获得当实际负载为R L 时的等效阻抗模的大小|Z p |=U c1_f / I p_f ，通过迭代未知权值系数，使得自适应滤波器的输出|Z p |ʹ逼近实际测量的|Z p |=U c1_f / I p_f 。其中，权值系数迭代公式根据最小均方误差和最速下降法获得。
本发明的用于负载辨识的基于LMS算法的自适应滤波器算法步骤如下：
(1)初始化权值系数：Rʹ L (1)=0；
(2)迭代计算：n=1, 2, 3, … ；
(3)滤波输出：将Rʹ L (n)带入式(12)得|Z p |ʹ(n)= f (Rʹ L (n))；
(4)反馈误差：e(n)= |Z p |(n)- |Z p |ʹ(n)，式中，|Z p |(n)是指根据测量值U c1_f 和I p_f 实时计算的Z p 的阻抗模值；
(5)权值系数迭代更新公式：Rʹ L (n+1)= Rʹ L (n)+2µe(n) |Z p |(n)。
综上，通过上述算法的迭代计算步骤，获得等效负载电阻R L 的辨识值R L_iden 。
再将负载辨识值R L_iden 代入式(8)，获得等效电阻和等效电抗值的辨识结果R e_iden 、L e_iden 。
图10为此时副边侧的等效电路图，根据辨识结果R e_iden 、L e_iden 可计算出等效阻抗模|Z s_eq |。将流过副边侧线圈的电流有效值记为I s ，可得I s 表达式如式(14)，
再根据基波近似法和基尔霍夫定律得整流器前端基波电流、电压有效值表达式如式(15),
最后，根据整流器前后端电压和电流之间的关系，得电池组充电电压U Bat_iden 、充电电流I Bat_iden 的辨识结果如式(16)。
（4）充电控制
现广泛采用的电池充电方式为恒流、恒压模式双阶段充电方式，其原理如图11。当电池电压U Bat<U Bref时，采用恒流模式对电池进行充电，充电电流为I Bref；随着充电的进行，电池的端电压缓慢上升，当U Bat=U Bref时，控制充电***保持恒压输出，此后随着电池能量的增加，充电电流会慢慢较小，等效电阻R L 增大。
采用本发明所提基于参数辨识的无通信IPT***对电池进行充电时，其流程如图12所示。
第一步，根据补偿网络参数及线圈和电容可承受的电压、电流值确定软起动互感辨识的所需直流输入电压U dc_iden 和辨识频率f iden ；
第二步，根据补偿网络参数、待充电电池组参数U Bref、I Bref及第一步确定的U dc_iden 和f iden 编写控制器中的启动程序和辨识算法；
第三步，启机，软启动过程实现互感辨识，得到M iden ；
第四步，继续启动直至负载接入***，通过前述的基于LMS算法的自适应滤波器对等效负载进行迭代计算，获得等效负载的辨识结果R L_iden ，再结合式(8)、(14)、(15)、(16)分别获得辨识结果R e_iden 、L e_iden 、U Bat_iden 、I Bat_iden ；
第五步，根据辨识结果U Bat_iden 、I Bat_iden 对***进行控制，若U Bat_iden <U Bref，则通过控制输入电压使得I Bat =I Bref，保持恒流充电；一旦U Bat_iden =U Bref，控制***保持恒压充电；直至I Bat_iden =I Bmin结束充电。
（5）仿真结果
对上述互感辨识方法、电池负载参数联合辨识方法、无通信IPT***的充电状态控制进行仿真，仿真***电路结构图如图3，***参数如表2。
表2***参数
根据表2***参数，在***工作区间(15µH<M<45µH，35Ω<R L <150Ω)内，将不同迭代步长代入基于LMS算法的自适应算法用于负载跟踪，得到***工作区间内的最优步长为µ=0.016，在该步长下，算法的收敛速度和稳态精度均表现良好。
在不同的互感和不同负载下进行仿真，得到互感和电池负载参数联合辨识结果如表3所示。其中，互感辨识在***软起动过程实现。将确定的迭代步长µ=0.016用于负载跟踪的迭代计算，将实时测量的|Z p |=U c1_f / I p_f 作为跟踪目标实现迭代计算，得到电池参数的联合辨识结果。由表3仿真结果可以看出，互感辨识值M iden 均与实际互感值M极其接近，辨识误差极小。电池充电电压U Bat 的最大辨识误差低于3%，充电电流I Bat 的最大辨识误差低于0.1%，电池等效电阻R L 的最大辨识误差低于3%。
表3不同互感时电池充电参数辨识结果
***控制模块再根据电池参数的联合辨识结果对***进行闭环控制，实现对电池的两段式恒流恒压充电。
图13为电池恒流充电波形图，***在启动到稳态阶段，实时辨识电池负载参数，根据辨识结果发现U Bref >U Bat_iden = 340V，根据流程图此时保持8A的充电电流对电池进行恒流充电；图14为电池恒压充电控制波形图，当U Bat_iden 等于U Bref 时，电池保持恒压充电，在t=0.06s处，负载变大，***仍能控制其保持360V的电压进行恒压充电，相应地充电电流被减小，等效电阻值增大。
以上仿真结果均证明本发明所提基于互感和电池负载参数联合辨识的无通信IPT***的可行性和实用性。
本发明实施例的一种基于互感和电池负载参数联合辨识的IPT***充电控制方法，***包括逆变器、发射线圈、接收线圈、原边侧补偿网络、副边侧补偿网络，方法包括：
在***启动后测量原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和发射线圈上的基波电流有效值I p_f ， ；
基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行发射线圈、接收线圈的互感辨识，获得互感辨识值M iden ，还用于在***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和M iden 计算获得与***电压输出端电连接的待充电电池的参数实时辨识值，根据M iden 和待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的驱动电压。
进一步地，待充电电池的参数实时辨识值的计算包括：
建立***正常充电阶段时的等效电路图，其中将***等效负载等效为等效电阻R e 和等效电感L e 的串联；
根据等效电路图确定待充电电池的参数实时辨识值的计算公式，计算公式为关于M iden 、发射线圈参数、接收线圈参数、原边侧补偿网络参数、副边侧补偿网络参数、***角频率的函数。
进一步地，互感辨识时的***角频率ω iden 满足：
式中，L p 为发射线圈的自感，C p 为原边侧补偿网络的串联补偿电容，C 2为副边侧补偿网络的并联补偿电容，C s 为副边侧补偿网络的串联补偿电容，L s 为接收线圈自感。
充电控制方法的原理与上述基于参数联合辨识的IPT***相同，此处不再赘述。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，包括逆变器、发射线圈、接收线圈、原边侧补偿网络、副边侧补偿网络以及充电控制模块，所述充电控制模块部署在所述***的原边侧，所述充电控制模块包括：
传感器，用于在所述***启动后测量所述原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和所述发射线圈上的基波电流有效值I p_f ；
参数辨识模块，用于基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行发射线圈与接收线圈间的互感辨识，获得的互感辨识值M iden ，还用于在***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和M iden 计算获得与所述***输出端连接的待充电电池的参数实时辨识值；
***控制模块，用于根据M iden 和所述待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的输入直流电压。
2.如权利要求1所述的基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，所述待充电电池的参数实时辨识值的计算包括：
建立所述***正常充电阶段的等效电路图，其中将***等效负载等效为等效电阻R e 和等效电感L e 的串联；
根据所述等效电路图确定所述待充电电池的参数实时辨识值的计算公式，所述计算公式为关于M iden 、发射线圈参数、接收线圈参数、原边侧补偿网络参数、副边侧补偿网络参数和***角频率的函数。
3.如权利要求2所述的基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，确定所述待充电电池的参数实时辨识值的计算公式包括步骤：
根据所述等效电路图确定***负载R L ，R L 的计算公式为：
根据R L 计算R e 和L e ，R e 和L e 的计算公式为：
式中，ω为***角频率，L 2为副边侧补偿网络的串联补偿电感，C 2为副边侧补偿网络的并联补偿电容，C p 为原边侧补偿网络的串联补偿电容，L p 为发射线圈自感，R L2为L 2的杂散电阻，M=M iden 。
4.如权利要求1所述的基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，所述参数辨识模块的一端通过有线与所述传感器电连接，所述参数辨识模块的另一端与所述***控制模块通过有线电连接。
5.如权利要求1所述的基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，互感辨识时的***角频率ω iden 满足：
式中，L p 为所述发射线圈的自感，C p 为原边侧补偿网络的串联补偿电容，C 2为副边侧补偿网络的并联补偿电容，C s 为副边侧补偿网络的串联补偿电容，L s 为接收线圈自感。
6.如权利要求1所述的基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，待充电电池的参数实时辨识值包括电池充电电压U Bat_iden 和电池充电电流I Bat_iden ，所述根据所述待充电电池的参数实时辨识值控制逆变器的直流输入电压包括：
若U Bat_iden 小于预设阈值U Bref ，通过控制逆变器的直流输入电压使得I Bat_iden 等于预设阈值I Bref ，若U Bat_iden 达到预设阈值U Bref 且I Bat_iden 大于最小充电电流阈值I min ，通过控制逆变器的直流输入电压使得U Bat_iden =U Bref ，保持恒压充电，若U Bat_iden 等于预设阈值U Bref 且I Bat_iden 等于最小充电电流阈值I min ，则充电结束。
7.如权利要求3所述的基于参数联合辨识的IPT***，其特征在于，根据R L 的计算公式计算R L 包括步骤：
构建基于迭代计算的自适应滤波器，设置R L 的迭代初始值Rʹ L (1)，R L 的迭代满足Rʹ L (n+1)= Rʹ L (n)+2µe(n) |Z p |(n)，Rʹ L (n+1)为R L 的第n+1次迭代值，Rʹ L (n)为R L 的第n次迭代值，µ为迭代步长，将自适应滤波器的输出记为|Z p |ʹ，将Rʹ L (n)代入R L 计算得到的
记为|Z p |ʹ(n)，e(n)=U c1_f /I p_f -|Z p |ʹ(n)，迭代R L ，直至自适应滤波器的输出|Z p |ʹ与U c1_f / I p_f 的差小于预设阈值，将此时R L 的迭代值作为R L 的计算值。
8.一种基于互感和电池负载参数联合辨识的IPT***充电控制方法，其特征在于，所述***包括逆变器、发射线圈、接收线圈、原边侧补偿网络、副边侧补偿网络，所述方法包括：
在所述***启动后测量所述原边侧补偿网络的并联补偿电容的基波电压有效值U c1_f 和所述发射线圈上的基波电流有效值I p_f ；
基于U c1_f 、I p_f 的测量值进行所述发射线圈、所述接收线圈的互感辨识，获得互感辨识值M iden ，还用于在所述***继续启动至正常充电阶段后，基于U c1_f 、I p_f 和M iden 计算获得与所述***输出端连接的待充电电池的参数实时辨识值，根据M iden 和所述待充电电池的参数实时辨识值控制所述逆变器的直流输入电压。
9.如权利要求8所述的基于参数联合辨识的IPT***充电控制方法，其特征在于，所述待充电电池的参数实时辨识值的计算包括：
建立所述***正常充电阶段的等效电路图，其中将***等效负载等效为等效电阻R e 和等效电感L e 的串联；
根据所述等效电路图确定所述待充电电池的参数实时辨识值的计算公式，所述计算公式为关于M iden 、发射线圈参数、接收线圈参数、原边侧补偿网络参数、副边侧补偿网络参数、***角频率的函数。
10.如权利要求8所述的基于参数联合辨识的IPT***充电控制方法，其特征在于，互感辨识时的***角频率ω iden 满足：
式中，L p 为所述发射线圈的自感，C p 为原边侧补偿网络的串联补偿电容，C 2为副边侧补偿网络的并联补偿电容，C s 为副边侧补偿网络的串联补偿电容，L s 为接收线圈自感。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210587083.3A CN114678965B (zh) | 2022-05-27 | 2022-05-27 | 一种基于参数联合辨识的ipt***及充电控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210587083.3A CN114678965B (zh) | 2022-05-27 | 2022-05-27 | 一种基于参数联合辨识的ipt***及充电控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114678965A true CN114678965A (zh) | 2022-06-28 |
| CN114678965B CN114678965B (zh) | 2022-08-19 |
Family
ID=82081096
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210587083.3A Active CN114678965B (zh) | 2022-05-27 | 2022-05-27 | 一种基于参数联合辨识的ipt***及充电控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114678965B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116742817A (zh) * | 2023-08-09 | 2023-09-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种ipt***及其多参数联合辨识控制方法 |
| CN117767587A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-03-26 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 无线电能传输***参数在线辨识方法、装置及存储介质 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130013635A (ko) * | 2011-07-28 | 2013-02-06 | 주식회사 티에이치케이파워 | 자발자화 특성을 가진 인덕션 코일과 전기공진을 이용한 에너지 하베스팅 장치 및 그 방법 |
| WO2016191999A1 (en) * | 2015-06-01 | 2016-12-08 | The University Of Hong Kong | Fast method for identifying coil misalignment/mutualcoupling in wireless charging systems |
| CN107979298A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-01 | 中国科学院电工研究所 | 一种无线充电***整流桥负载等效阻抗计算方法 |
| CN110429718A (zh) * | 2019-08-05 | 2019-11-08 | 西南交通大学 | 一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输***恒流/恒压控制方法 |
| CN112865340A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-05-28 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种无线充电***的互感参数辨识方法及装置 |
-
2022
- 2022-05-27 CN CN202210587083.3A patent/CN114678965B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130013635A (ko) * | 2011-07-28 | 2013-02-06 | 주식회사 티에이치케이파워 | 자발자화 특성을 가진 인덕션 코일과 전기공진을 이용한 에너지 하베스팅 장치 및 그 방법 |
| WO2016191999A1 (en) * | 2015-06-01 | 2016-12-08 | The University Of Hong Kong | Fast method for identifying coil misalignment/mutualcoupling in wireless charging systems |
| CN107979298A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-05-01 | 中国科学院电工研究所 | 一种无线充电***整流桥负载等效阻抗计算方法 |
| CN110429718A (zh) * | 2019-08-05 | 2019-11-08 | 西南交通大学 | 一种基于一次侧参数辨识的无线电能传输***恒流/恒压控制方法 |
| CN112865340A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-05-28 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种无线充电***的互感参数辨识方法及装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| LEI WANG: "Mutual Inductance Identification of IPT System Based on Soft-Start Process", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 * |
| 汪小娜: "基于磁场分割法的IPT***耦合线圈电感计算", 《华中科技大学学报（ 自然科学版）》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116742817A (zh) * | 2023-08-09 | 2023-09-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种ipt***及其多参数联合辨识控制方法 |
| CN117767587A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-03-26 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 无线电能传输***参数在线辨识方法、装置及存储介质 |
| CN117767587B (zh) * | 2023-12-08 | 2024-07-05 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 无线电能传输***参数在线辨识方法、装置及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114678965B (zh) | 2022-08-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114678965B (zh) | 一种基于参数联合辨识的ipt***及充电控制方法 | |
| CN108683229B (zh) | 一种电动汽车无线充电副边输出控制***及其控制方法 | |
| Keeling et al. | A unity-power-factor IPT pickup for high-power applications | |
| CN111106676B (zh) | Lcc-s型mc-wpt***的磁耦合机构参数多目标优化方法 | |
| CN110707831B (zh) | 一种发送侧切换三线圈恒流恒压感应式无线充电方法及*** | |
| CN107294225B (zh) | 副边并联补偿的ipt***负载与互感参数识别方法 | |
| Gu et al. | Mutual-inductance-dynamic-predicted constant current control of LCC-P compensation network for drone wireless in-flight charging | |
| CN110365120B (zh) | 一种从原边辨识参数的非接触电能传输装置 | |
| CN107526899A (zh) | 基于遗传算法的磁耦合wpt***负载与互感识别方法 | |
| CN211236016U (zh) | 一种无线电能传输恒压或恒流输出的频率在线检测电路 | |
| CN111262349A (zh) | 基于全桥倍压整流器的双拾取线圈无线传能装置及磁耦合机构设计方法 | |
| CN107579659B (zh) | 适应变压器高寄生参数的恒流谐振型直流变换电路及方法 | |
| CN113691028A (zh) | 一种基于线圈位置优化排布的wpt效率提升*** | |
| CN112994192A (zh) | 无线充电***恒流/恒压输出的方法 | |
| Jayalath et al. | Analysis of the relationship between the parameters of IPT transformer and power electronic system | |
| Tiwari et al. | Misalignment tolerant primary controller for series-series compensated static wireless charging of battery | |
| Zeng et al. | Dynamic monitoring of battery variables and mutual inductance for primary-side control of a wireless charging system | |
| CN108879869B (zh) | 基于负载特性的无线充电***原边控制方法及其实现*** | |
| CN110971009A (zh) | 一种无线电能传输***的控制方法 | |
| CN115051483A (zh) | 一种两轮电动车无线充电功率的控制方法 | |
| CN116345717A (zh) | 自适应谐振型无线电能传输*** | |
| CN113300494B (zh) | 无线电能传输***及其电源幅值、可变电感与电容控制方法 | |
| CN109586419B (zh) | 一种动态无线电能传输***功率优化分配方法及*** | |
| CN112467894A (zh) | 一种无线充电***负载参数辨识方法及*** | |
| Zeng et al. | A primary-side monitoring method for coupling coefficient and receiver resonant frequency in SS-compensated wireless charging systems with relay coil |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |