一种基于模糊比例-积分的无线充电控制方法与流程

本发明涉及一种无线充电控制方法，尤其涉及一种基于模糊比例-积分的无线充电控制方法，属于无线充电技术领域。

背景技术：

在能源需求增加和环境危机日益严重的背景下，近年来电动汽车得到了快速的发展。可充电锂电池具有功率密度高、自放电率低等优点，作为汽车驱动电源，被广泛应用于电动汽车中。

传统的插电式充电方法需要负载电缆将电动汽车与充电基础设施连接，经常会遇到接触失效问题。此外，不兼容的插头和插座可能导致不同的电动车之间无法充电，给充电带来不便。为了弥补这些不足，无线功率传输(wpt)技术正在被广泛的研究，它可以为用户提供一个非接触和方便的全新充电方案。

在实际当中，会出现需要紧急充电的情况，但是，大多数情况下是有充足的时间进行充电。对于充电时间充足的情况，最好提供小而健康的充电电流，而不是盲目地将最大能量泵入电池，因为过强的充电电流有害于电池的健康和安全。所以，通过考虑充电过程中的用户需求，无线充电器需要能够自动调整充电电流，同时兼顾用户需求和健康保护。并且，充电电流自动调整的过程需要平稳，无超调，尽量减少对电池的损害。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于模糊比例-积分的无线充电控制方法，实现无线充电恒流控制。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于模糊比例-积分的无线充电控制方法，包括如下步骤：

步骤1，建立无线充电电路模型，并根据该模型获取无线充电回路；

步骤2，根据闭环控制原理，将无线充电回路输出的充电电流ib(k)反馈至输入端，并与输入端期望的充电电流is(k)进行比较，得到充电电路误差e(k)和充电电流误差变化值ec(k)；

步骤3，将充电电路误差e(k)和充电电流误差变化值ec(k)作为模糊比例-积分控制器的输入，通过模糊比例-积分控制器自动调整pi参数，得到无线充电电路模型中mosfet上的脉宽调制信号的占空比d(k)，根据d(k)对ib(k)进行调整，实现无线充电恒流控制，k表示采样步长。

作为本发明的一种优选方案，步骤1所述无线充电电路模型包括全桥逆变器、谐振回路和全桥整流器，谐振回路由具有lcc补偿网络的发射端和具有lcc补偿网络的接收端组成，其中，具有lcc补偿网络的发射端包括发射端补偿电感l1p、发射端补偿电容c1p和c2p，具有lcc补偿网络的接收端包括接收端补偿电感l1s、接收端补偿电容c1s和c2s；且

其中，m为发射线圈和接收线圈之间的互感，vin为直流电源电压，w0为谐振角频率，为最大充电电流，l2为接收端自感。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述充电电路误差e(k)和充电电流误差变化值ec(k)，公式为：

e(k)＝is(k)-ib(k)

其中，is(k)、is(i)为期望的充电电流，ib(k)、ib(i)为输出的充电电流，k表示采样步长。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述占空比d(k)，公式为：

d(k)＝kp(k)e(k)+ki(k)ec(k)

其中，kp(k)和ki(k)分别为比例和积分增益，e(k)为充电电路误差，ec(k)为充电电流误差变化值。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述通过模糊比例-积分控制器自动调整pi参数，具体如下：

a)将充电电路误差e和充电电流误差变化值ec作为模糊算法的输入，δkp和δki作为模糊算法的输出；

b)将输入的模糊论域设置为e、ec，输出的模糊论域设置为kp、ki，并选择5种模糊语言{nb，ns，zo，ps，pb}，然后确定输入和输出的隶属函数；

c)制定模糊规则，得到模糊输出，然后利用重心法，通过逆模糊过程计算得到输出δkp和δki，由更新比例和积分增益kp(k)和ki(k)，其中kpo、kio分别为比例、积分增益的初始值。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的模糊pi控制算法与传统的pi算法相比，不需要对初始pi参数进行精确整定，pi参数可根据模糊规则在线自调整，为实际控制带来方便。

2、本发明具有良好的鲁棒性，当出现外干扰时，pi参数可在线自调整，在更大的范围内可保证系统的稳定性和良好的动态性能。

附图说明

图1是本发明无线充电电路模型示意图。

图2是本发明无线充电模糊pi控制回路示意图。

图3是输入隶属函数图，其中，(a)为e，(b)为ec。

图4是输出隶属函数图，其中，(a)为δkp，(b)为δki。

图5是模糊规则图。

图6是模糊逻辑控制三维图形，其中，(a)为δkp，(b)为δki。

图7是无线充电期望充电电流与实际响应图。

图8是模糊控制下比例增益kp变化图。

图9是模糊控制下积分增益ki变化图。

图10是模糊控制下占空比d变化图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明一种基于模糊pi控制算法的无线充电恒流控制的方法，具体如下：

1)建立无线充电电路模型；

对于如图1所示的无线充电电路模型，使用了具有双侧lcc补偿拓扑的无线电池充电器，该充电器主要由全桥逆变器、谐振回路和全桥整流器组成。全桥逆变器用于通过交替切换mosfet对(s1,s4)和(s2,s3)将直流电源电压vin转换为方波输出电压v1。在交流分析中，由于谐振网络具有滤除高次谐波的作用，所以可以假定功率传输仅通过基波分量。方波输出电压v1的有效值可表示为：

其中，d是施加到mosfet上的脉宽调制(pwm)信号的占空比。

谐振回路由具有lcc补偿网络(l1p为发射端补偿电感、c1p和c2p为发射端补偿电容)的发射端和具有lcc补偿网络(l1s为接收端补偿电感、c1s和c2s为接收端补偿电容)的接收端组成，其中发射端和接收端自感分别为l1和l2。通过将基尔霍夫定律应用于谐振回路，可以得到如下等式：

其中，w为逆变器输出电压角频率，w＝2πf，f为逆变器输出电压频率，分别表示通过电感l1p、l1s、l2的电流；m表示发射线圈和接收线圈之间的互感。为了提高无线充电回路效率，需使充电回路工作在谐振状态，设谐振角频率为w0，谐振频率为f0，则需满足如下等式，使充电回路工作在谐振状态：

如果满足以下关系式：

则可得：

全桥整流回路的作用是将转化为直流充电电流ib，设为的有效值，则可得：

从上式可以看出，ib与负载变化无关，而与πd成正弦关系，说明可以通过调节d的大小来调整充电电流。谐振补偿网络中的电感l1p、l1s，电容c1p、c2p、c1s、c2s可按照如下步骤求得：

a)确定发射端和接收端自感l1和l2以及两者之间的互感m，通常情况下使l1＝l2；

b)根据实际需求确定最大充电电流以及谐振频率f0；

c)根据如下关系式求得：

2)提出了一种模糊比例-积分控制算法用于无线充电恒流控制；

通常情况下采用传统比例-积分控制器对充电回路进行恒流控制，也可以达到较好的效果，但是，比例-积分参数调节较繁琐，而且鲁棒性能较差。为了克服此难题，采用模糊比例-积分控制算法进行在线调节比例-积分参数，不仅调节简便，而且能得到更好的动态响应和鲁棒性。

对于如图2所示的模糊比例-积分控制回路示意图，is(k)为期望的充电电流，d(k)为无线充电逆变电路中mosfet上的脉宽调制(pwm)信号的占空比，ib(k)为输出的充电电流，利用闭环控制原理，将ib(k)反馈至输入端，与is(k)进行比较，得到充电电流误差e(k)和充电电流误差变化值ec(k)，并作为模糊pi控制器的输入信息，然后模糊pi控制器自动调整pi参数，得到所需的d(k)，进而调整ib(k)，使ib(k)趋近于is(k)，则可得：

d(k)＝kp(k)e(k)+ki(k)ec(k)

e(k)＝is(k)-ib(k)

其中kp(k)和ki(k)分别为比例和积分增益，k为采样步长。kp(k)和ki(k)能够按如下等式进行在线更新：

kp(k)＝kpo+δkp(k)

ki(k)＝kio+δki(k)

其中kpo和kio是pi初始值，δkp(k)和δki(k)是基于如下模糊算法得到的更新值：

a)e和ec作为输入，δkp和δki作为输出；

b)将输入和输出的模糊论域设置为e、ec，kp、ki，并选择5种模糊语言{nb，ns，zo，ps，pb}(负大，负小，零，正小，正大)，然后确定输入和输出的隶属函数；

c)制定模糊规则，得到模糊输出，然后利用重心法，通过逆模糊过程计算精确的输出δkp和δki。

下面用一实施例进行详细说明。

1、无线充电电路模型建立

对于如图1所示的无线充电电路模型，根据上述推导的关系式，各电路参数选择步骤如下：

1)选择直流输入电压vin＝440v，发射端线圈和接收端线圈自感l1＝l2＝218.3μh，互感m＝90.3μh；

2)选择最大充电电流谐振频率f0＝68khz；

3)根据计算公式，可求得

2、无线充电恒流控制模糊pi算法设计

在模糊pi控制器中，初始比例积分增益选择为kpo＝0.1和kio＝5。模糊论域分别选择e＝[-30,30]、ec＝[-6,6]、kp＝[-0.03,0.03]和ki＝[-12,12]。输入和输出的隶属函数如图3的(a)、(b)和图4的(a)、(b)所示，模糊规则如图5所示。基于输入e和ec，输出(δkp和δki)的模糊逻辑控制的三维图形如图6的(a)、(b)所示。无线充电器控制策略、基于模糊pi控制器和基于传统pi控制器的无线充电器的实际充电电流响应如图7。相应的比例增益kp、积分增益ki和控制变量d(pwm占空比)分别如图8、图9和图10。仿真结果表明：提出的模糊pi算法能够使无线充电器提供的实际充电电流很好地跟踪期望值。为了证明模糊pi算法的优越性能，还给出了传统pi控制算法的仿真结果作为比较，其中将传统pi算法的比例增益和积分增益作为模糊pi控制的初始值，模糊pi控制比传统的pi算法具有更小的超调。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。