[發明專利]一種提高無線充電系統偏移容忍度的控制方法

有效

• 申請號: 201510324723.1
• 申請日: 2015-06-12
• 公開（公告）號: CN104953722B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發明（設計）人: 郭彥杰;王麗芳;李芳;朱慶偉;陶成軒;廖承林;張俊智
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02J50/00
• 分類號: H02J50/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種無線充電系統的控制方法，特別涉及一種提高無線充電系統偏移容忍度的控制方法。

背景技術

無線充電的概念最早是由美國科學家特斯拉提出的。2007年，麻省理工學院的研究者提出了磁耦合諧振無線電能傳輸的新方法，并“隔空”點亮了一盞2米開外的60W燈泡。隨后，無線充電技術受到了越來越多的關注，并應用于嵌入式醫療、手機以及電動汽車充電等領域。

然而在實際應用中，無線能量傳輸線圈之間經常出現偏移的情況，帶來無線充電系統效率嚴重下降的不良影響。CN 103532254 A“一種應用于WPT系統的工作頻率自適應調節裝置”檢測無線充電系統的電能信號，通過無線傳輸信號送到DSP系統進行比較分析，使系統工作在最佳頻率點。但并未提到使系統工作在最佳頻率點的控制方法。CN 103219807 A“一種自適應無線電能傳輸裝置”，利用微控制器跳頻技術，根據環境中的電磁頻率自動調整發射頻率和諧振頻率。但其同樣未給出確定最佳工作頻率的具體方法。因此，需要一種在無線充電系統偏移的情況下，計算確定最優控制頻率的具體方法，以提高系統的偏移容忍度。

發明內容

本發明的目的是克服當前無線充電系統在偏移情況下出現效率嚴重下降的問題，提出一種提高無線充電系統偏移容忍度的控制方法。本發明可為無線充電系統控制算法的設計提供依據，進而提高無線充電系統的穩定性，并降低系統的控制復雜度、提高控制速度。

應用本發明控制方法的無線充電系統包括系統電源、逆變器、無線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路、整流器、系統負載、以及系統控制器。系統電源為整個無線充電系統提供電能，逆變器的輸入端與系統電源相連，將電源提供的電能轉化為高頻交流電；逆變器的輸出端與無線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路相連，通過無線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路使得逆變器轉化的高頻交流電以空間電磁場的方式實現無線傳輸；整流器的輸入端與無線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路相連，將接收到的高頻交流電轉化為直流電，最終為與整流器輸出端連接的系統負載供電；上述部件之間通過電纜連接。系統控制器通過改變逆變器中電力電子器件的開關頻率對整個無線充電系統進行控制，系統控制器與逆變器之間通過電線連接。

本發明提高無線充電系統偏移容忍度的控制方法包含以下步驟：

步驟A、建立包含系統電源、逆變器、無線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路、整流器和系統負載的無線充電系統模型；

步驟B、測量在無線能量傳輸線圈對準和偏移情況下的無線充電系統模型參數；

步驟C、根據無線充電系統模型求得系統效率的表達式；

步驟D、利用系統效率表達式求解在無線能量傳輸線圈偏移情況下的最優控制頻率；

步驟E、將求得的不同偏移情況下的最優控制頻率進行擬合，得到頻率控制曲線；

步驟F、將頻率控制曲線通過編程應用于系統控制器中，對無線充電系統進行控制。

本發明的控制方法是通過計算求得無線能量傳輸線圈偏移情況下的最優控制頻率，使無線充電系統在偏移情況下保持較高的效率，以提高無線充電系統偏移容忍度。

所述步驟A的建立無線充電系統模型過程中，將所述的系統電源和逆變器綜合考慮作為無線充電系統模型的源U_S；并將所述的整流器和系統負載綜合考慮作為無線充電系統模型的負載Z_L。

所述步驟A的建立無線充電系統模型過程中，根據不同線圈結構和阻抗匹配電路結構，考慮無線能量傳輸線圈的自電感、互電感、雜散電阻，以及阻抗匹配電路中的電感、電容和雜散電阻的影響。無線充電系統的建模過程中以集總參數表示無線充電系統的各種變量和雜散參數，其中無線能量傳輸線圈的自電感與線圈的雜散電阻串聯，而線圈之間的感性耦合作用則等效表示為與線圈之間的互電感；在阻抗匹配電路中，電感的雜散電阻與電感串聯，電容的雜散電阻與電容串聯，而電感和電容之間的連接方式則取決于阻抗匹配電路的拓撲結構。由此，無線充電系統的建模過程全面考慮了無線充電系統中的各種變量和雜散參數，使得建立的模型能夠很好地表示實際無線充電系統，具有很高的精度。

所述步驟B中待測量電氣參數的測量手段包括：采用示波器對電源電壓進行測量，采用阻抗分析儀對負載阻抗、無線能量傳輸線圈及其阻抗匹配電路的電氣參數進行測量。