一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法，主要针对电动汽车无线充电功率稳定性需求。该系统主要由频率电压可调节的电源、发射装置、接收装置、整流变换装置、蓄电池、无线收发模块和功率跟踪控制器组成。该发明采用谐振耦合式无线电能传输技术，以蓄电池端电压和充电电流为反馈，通过对功率电源频率和电源电压的双环协调控制实现电动汽车蓄电池的恒功率或恒电压充电。该发明采用基于参数反馈和双变量协调控制算法有效解决了电动汽车无线充电功率的稳定性问题，提高了系统工作的鲁棒性。
【专利说明】一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于电动汽车和自动控制领域，涉及一种电动汽车无线充电控制方法。
【背景技术】
[0002]随着无线电能传输技术的不断成熟，特别是以谐振磁耦合原理为基础的无线充电技术的不断发展，给电动汽车无线充电系统的开发和完善带来了巨大的机遇。虽然谐振耦合式无线电能传输技术从理论上可以在一定距离和频率范围内实现大功率传输，已经有了应用到电动汽车充电的基本条件，但是随着电动汽车蓄电池这种随时间不断变化的负载接入无线电能传输系统，给系统的正常工作和功率传输都会带来一定的影响。目前电动汽车无线充电系统一般采用发射回路的频率跟踪技术使系统始终工作的谐振状态下使系统保持高效的功率传输，但这种控制方案对电源的频率控制精度以及数据采集的实时性要求较高，系统的稳定性和鲁棒性不是很高。
【发明内容】
[0003]发明目的:针对上述现有技术，提出一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法，提高谐振磁耦合式电动汽车无线充电系统蓄电池充电功率的稳定性控制。
[0004]技术方案:一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法，以电动汽车蓄电池端电压和充电电流为反馈，通过对功率电源频率和电源电压的双环协调控制实现电动汽车蓄电池的恒功率或恒电压充电。
[0005]作为本发明的优选方案，所述电源电压与频率协调控制包括如下具体步骤:
[0006](I)，给电源电压Us和频率f进行初始赋值，Us (O) =U0, f (O) = f0 ；
[0007](2)，对循环变量η赋初值η=0 ；
[0008](3)，根据检测到的蓄电池电压和充电电流信号，计算出充电功率匕;
[0009](4)，对所述电功率Pl进行判断:若Pl (n) >Pref或Ul (n) >Uref,则跳转到步骤(5);若Pl(n) ( Pref且U L(n) ( Uref,则跳转到步骤(8);其中Pref为恒功率控制参考值，Uref为恒压控制参考值；
[0010](5)，对充电功率和蓄电池电压进行超限判断:若Ρ? ( )Plimit Ul(n) ^ Ulimit,则跳转到步骤(6) ;gPL(n)>Plimit或UL(n)>Ulimit，则跳转到步骤(7);其中，Plimit为蓄电池电功率最大限定值，Ulimit为蓄电池充电电压最大限定值；
[0011](6)，令f (O) =f (η)，令Us (O) =Us (η)，跳转到步骤(2)重新进行循环；
[0012](7)，降低电源输出电压幅值Λ U，即令Us (n+1) =Us (η) - Λ U，并令η=η+1后跳转到步骤⑶；
[0013](8)，对循环变量η经行判断:若η〈1，则跳转到步骤(9);若η≥1，则跳转到步骤(10)；
[0014](9)，提高可调电源的输出频率值，即令f (n+1) =f (η) + Λ f，并令η=η+1后跳转到步骤⑶；[0015](10)，对充电功率和蓄电池电压进行最大值判断:若|Ρ?-Ρ>-1) ≤ε1或Ul(n)-Ul(η-1)≤ε 2，则无线充电工作在最大充电功率或蓄电池电压达到最大值，跳转到
步骤(11);若 Pl(n)-Pl(η-1) |> ε 1且 Ul(n)-Ul(η-1) |> ε2，则跳转到步骤(13);其中，ε 工、ε2分别为设定的功率差阈值和电压差阈值；
[0016](11)，提高电源输出电压幅值Λ U，即令Us(n+l)=Us(n)+AU，然后跳转到步骤(12):
[0017](12)，进行电源输出电压超限判断:若Us (n+1) >Usmax，无法满足充电需求，则自动跳出循环并输出停机信号；若Us (n+1) ≤ Usnak,则令n=n+l后跳转到步骤⑶；其中，Usmax为电源电压输出最大限定值；
[0018](13)，进行电源输出频率和蓄电池电压的单调性判断以及电源输出频率和充电功率的单调性判断:
[0019]若[f(n)-f(n-l)]*[PL(n)-PL(n-l)]>0或[f (n)-f (n_l) ] * [UL(n)-Ul (n_l) ] >0,则跳转到步骤(14)；
[0020]若[f(n)-f(n-l)]*[PL(n)-PL(n-l)]≤O 且[f (n) -f (n-1) ] * [UL(n) -Ul (η-1) ] ^ O,则跳转到步骤(15)；
[0021](14)，进行电源输出频率最大阀值判断:若f(n) ≥fmax，则提高电源输出电压幅值Λ U，即令Us (n+1) =Us (η) + Λ U，并控制电源输出频率为f (n+1) =fmax- Δ f，然后跳转到步骤(12) ;gf(n)〈fmax，则提高电源输出频率Af，即令f(n+l)=fmax+A f，并保持电源输出电压不变，即令Us (n+1) =Us (η)，然后跳转到步骤(12);其中，fmax为电源输出频率最大阀值；
[0022](15)，进行电源输出频率最小阀值判断:若f (n) ≤ fmin，则提高电源输出电压幅值Λ U,即令Us (n+1) =Us (η) + Λ U，并控制电源输出频率为f (n+1) =fmin+ Δ f，然后转到步骤(12);若f (n) >fmin,则降低电源输出频率Λ f，即令f (n+1) =f (n)-Af,并保持电源输出电压不变，即令Us(n+1) =Us(η)，然后跳转到步骤(12);其中，fmin为电源输出频率最小阀值。
[0023]有益效果:本方法采用功率跟踪控制器，以蓄电池端电压和充电电流为反馈，通过对功率电源频率和电源电压的双环协调控制实现电动汽车蓄电池的恒功率或恒电压充电。基于参数反馈和双变量协调控制算法有效解决了电动汽车无线充电功率的稳定性问题，提高了系统工作的鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明电动汽车无线充电系统示意图；
[0025]图2为本发明基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法流程图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0027]为了提高谐振磁耦合式电动汽车无线充电系统蓄电池充电功率的稳定性控制，本发明提供一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法所基于的控制充电系统如图1所示，该系统主要由频率电压可调节的电源11、发射装置12、接收装置13、整流变换装置14、蓄电池15、无线发射模块16、无线接收模块17和功率跟踪控制器18组成。该电动汽车无线充电系统基于谐振磁耦合传输机理，其主要工作过程为:电源11发出一定频率和功率的能量到发射装置12，发射装置12和接收装置13工作在谐振状态下进行能量的交换，接收装置13将接收到的能量传递给整流变换装置14进行电压电流转换并给蓄电池15进行充电，蓄电池15自带检测模块将端电压和充电电流通过无线发射模块16发送到发射端的无线接收模块17，数据最终传送到功率跟踪控制器17，功率跟踪控制器17根据接收到的电压电流信号进行基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法处理后输出电源11的控制信号，改变电源11的输出频率和电源电压从而调节蓄电池15的充电功率或充电电压。
[0028]具体的说，本发明提供了一种电动汽车无线充电系统可以实现30cm以内2kW功率的传输并且通过控制使充电系统工作在恒功率控制或恒电压模式下。电源11的电压和频率可接受控制信号进行调节，发射装置12和接收装置13都是由线圈和补偿电容组成，两者的自谐振频率相同，发射装置12埋在地下，接收装置13安装在电动汽车底盘，整流变换装置14采用不控整流和DCfDC变换装置构成，安装在电动汽车车体内，将接收装置的交流电转换成直流电供电动汽车蓄电池15。功率跟踪控制器18以蓄电池15端电压和充电电流为反馈，通过对功率电源11频率和电源电压的双环协调控制实现电动汽车蓄电池15的恒功率或恒电压充电。[0029]如图2所示，基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法，以电动汽车蓄电池端电压和充电电流为反馈，通过对功率电源频率和电源电压的双环协调控制实现电动汽车蓄电池的恒功率或恒电压充电。采用的电源电压与频率协调控制的主要思路为:首先在电源电压一定的情况下通过变频控制找出能够达到的最大充电功率或最大充电电压，满足条件则重新循环，若此时不满足条件则通过调节电源电压增大充电功率或增大充电电压。本发明方法包括如下具体步骤:
[0030](I)，系统开机阶段先给电源电压Us和频率f进行初始赋值，Us (O) =U0, f (O) = f0 ；
[0031](2)，对循环变量η赋初值η=0，进入主循环；
[0032](3)，根据检测到的蓄电池电压和充电电流信号，计算出充电功率匕；
[0033](4)，对所述电功率Pl进行判断:若Pl (n) >Pref或Ul (n) >Uref,则跳转到步骤(5);若Pl(η)≤已社且队⑷≤UMf，则进入电源电压和频率的协调控制，跳转到步骤⑶；其中Pref为恒功率控制参考值，U r e f为恒压控制参考值；
[0034](5)，对充电功率和蓄电池电压进行超限判断:若Ρ? ( Plimit且Ul(n) ( Ulimit,即不超过充电功率限制和充电电压的限制，则认为充电工作正常，跳转到步骤(6);若Pl (n) >Plimit或Ul (n) >Ulimit,即充电功率或电压超限，则跳转到步骤(7);其中，Plimit为蓄电池电功率最大限定值，Ulimit为蓄电池充电电压最大限定值；
[0035](6)，令f (O) =f (η)，令Us (O) =Us (η)，跳转到步骤(2)重新进行循环；
[0036](7)，降低电源输出电压幅值Λ U，即令Us (n+1) =Us (η) - Λ U，并令η=η+1后跳转到步骤(3)后继续循环；
[0037](8)，对循环变量η经行判断:若η〈1，则跳转到步骤(9);若η≥1，则跳转到步骤
(10):
[0038](9)，提高可调电源的输出频率值，即令f (n+1) =f (η) + Λ f，并令η=η+1后跳转到步骤⑶；
[0039](10)，对充电功率和蓄电池电压进行最大值判断:若|Ρ?-Ρ>-1) I < ^或Ul(n)-Ul(n-1) ( ε 2，则无线充电工作在最大充电功率或蓄电池电压达到最大值，跳转到步骤(11);若 Pl(n)-Pl(η-1) |> ε 1且 Ul(n)-Ul(η-1) |> ε2，则跳转到步骤(13);其中，ε 工、ε2分别为设定的功率差阈值和电压差阈值；
[0040](11)，提高电源输出电压幅值Λ U，即令Us(n+l)=Us(n)+AU，然后跳转到步骤(12):
[0041](12)，进行电源输出电压超限判断:若Us (n+1) >Usmax，无法满足充电需求，则自动跳出循环并输出停机信号；若Us (n+1) ( Usnak,则令n=n+l后跳转到步骤⑶；其中，Usmax为电源电压输出最大限定值；
[0042](13)，由于充电功率和蓄电池电压随频率变化的曲线为类抛物线性质，在变频控制中需要进行单调性判断并考虑到频率的取值范围，则进行电源输出频率和蓄电池电压的单调性判断以及电源输出频率和充电功率的单调性判断:
[0043]若[f(n)-f(n-l)]*[PL(n)-PL(n-l)]>0或[f (n)-f (n_l) ] * [UL(n) _UL (n_l) ] >0,则跳转到步骤(14)；[0044]若[f(n)-f (n-1)]* [PL (n)-Pl (n-1)] ^ 0 ? [f (n)-f (n_l) ] * [UL(n) _UL (n_l) ] ^ 0,则跳转到步骤(15)；
[0045](14)，进行电源输出频率最大阀值判断:若f(n) ^ fmax，则提高电源输出电压幅值Λ U，即令Us (n+1) =Us (η) + Λ U，并控制电源输出频率为f (n+1) =fmax- Δ f，然后跳转到步骤(12) ;gf(n)〈fmax，则提高电源输出频率Af，即令f(n+l)=fmax+A f，并保持电源输出电压不变，即令Us (n+1) =Us (η)，然后跳转到步骤(12);其中，fmax为电源输出频率最大阀值；
[0046](15)，进行电源输出频率最小阀值判断:若f (n) ( fmin，则提高电源输出电压幅值Λ U,即令Us (n+1) =Us (η) + Λ U，并控制电源输出频率为f (n+1) =fmin+ Δ f，然后转到步骤
(12);若f (n) >fmin,则降低电源输出频率Λ f，即令f (n+1) =f (η) - Λ f，并保持电源输出电压不变，即令Us(n+1) =Us(η)，然后跳转到步骤(12);其中，fmin为电源输出频率最小阀值。
[0047]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法，其特征在于:以电动汽车蓄电池端电压和充电电流为反馈，通过对功率电源频率和电源电压的双环协调控制实现电动汽车蓄电池的恒功率或恒电压充电。
2.根据权利要求1所述的一种基于电源电压与频率协调控制的无线充电控制方法，其特征在于:所述电源电压与频率协调控制包括如下具体步骤: (1)，给电源电压Us和频率f进行初始赋值，Us(O)=Utl,f(0)=f0 ； (2)，对循环变量η赋初值η=0； (3)，根据检测到的蓄电池电压和充电电流信号，计算出充电功率; (4)，对所述电功率进行判断:若Pl(n) >Pref或Ul (n) >Uref,则跳转到步骤(5)；若PL(n)≤Prrf且Ul (η)≤Urrf，则跳转到步骤(8);其中Pref为恒功率控制参考值，UMf为恒压控制参考值； (5)，对充电功率和蓄电池电压进行超限判断:若Ρ?( Plimit且Ul(n) ( Ulimit，则跳转到步骤(6);若Ρ? >Plimit或υ? >Ulimit，则跳转到步骤(7);其中，Plimit为蓄电池电功率最大限定值，Ulimit为蓄电池充电电压最大限定值； (6)，令f(O) =f (η)，令Us (O) =Us (η)，跳转到步骤(2)重新进行循环； (7)，降低电源输出电压幅值ΛU，即令Us(n+l)=Us(n)_ Λ U，并令η=η+1后跳转到步骤(3)； (8)，对循环变量η经行判断:若η〈1，则跳转到步骤(9);若η≥1，则跳转到步骤(10)； (9)，提高可调电源的输出频率值，即令f(n+l)=f(n)+ Af，并令η=η+1后跳转到步骤(3)； (10)，对充电功率和蓄电池电压进行最大值判断:若|Pjn)-Pjn-l)| < ε i或Ul(n)-Ul(η-1) ( ε 2，则无线充电工作在最大充电功率或蓄电池电压达到最大值，跳转到步骤(11);若 Pl(n)-P1(I1-1) |> ε 1且 Ul(n)-Ul(η-1) |> ε2，则跳转到步骤(13);其中，ε 工、ε2分别为设定的功率差阈值和电压差阈值； (11)，提高电源输出电压幅值AU，即令Us(n+l)=Us(n)+AU，然后跳转到步骤(12): (12)，进行电源输出电压超限判断^Us(n+l)>Usmax，无法满足充电需求，则自动跳出循环并输出停机信号；若Us(n+1) ( Usnak,则令n=n+l后跳转到步骤⑶；其中，Usmax为电源电压输出最大限定值； (13)，进行电源输出频率和蓄电池电压的单调性判断以及电源输出频率和充电功率的单调性判断:
若[f (n) -f (η-1) ] * [PL (n) -Pl (η-1) ] >0 或[f (n) -f (η-1) ] * [UL (η) -Ul (η-1) ] >0，则跳转到步骤(14)；
若[f(n)-f(n-l)]*[PL(n)-PL(n-l)] <0 且[f (n)-f (n_l) ] * [UL (n)-Ul (n_l) ] < 0，则跳转到步骤(15)； (14)，进行电源输出频率最大阀值判断:若f(n)Sfmax，则提高电源输出电压幅值Λ U，即令Us (n+1) =Us (η) + Λ U，并控制电源输出频率为f (n+1) =fmax- Δ f，然后跳转到步骤(12)；若f(n)〈fmax，则提高电源输出频率Λ f，即令f (n+l)=fmax+ Δ f，并保持电源输出电压不变，即令Us (n+1) =Us(η)，然后跳转到步骤(12);其中，fmax为电源输出频率最大阀值； (15)，进行电源输出频率最小阀值判断:若f(n)≤fmin，则提高电源输出电压幅值ΛU，即令Us (n+1) =Us (η) + Λ U，并控制电源输出频率为f (n+1) =fmin+ Δ f，然后转到步骤(12);若f (n) >fmin，则降低电 源输出频率Λ f，即令f (n+1) =f (η) - Λ f，并保持电源输出电压不变，即令Us(n+1) =Us(η)，然后跳转到步骤(12);其中，fmin为电源输出频率最小阀值。
【文档编号】H02J7/00GK103840528SQ201410102871
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】谭林林, 黄学良, 王维, 周亚龙, 王春宁 申请人:国家电网公司, 东南大学, 国网安徽省电力公司, 江苏省电力公司南京供电公司, 江苏省电力公司泰州供电公司