磁共振耦合无线电力传输系统的多环控制方法

摘要

本发明提供一种磁共振耦合无线电力传输系统的多环控制方法，该方法利用三个环路分别控制发射侧的谐振电流、接收侧的输出电压和等效负载电阻，这三个环路相互配合，确保了系统的安全性、稳定性和高效率，本发明满足了磁共振耦合无线电力传输系统的主要控制需求，是一种有效易用的多目标控制方法。

说明书

技术领域

本发明涉及近场无线电力传输系统的控制方法，特别涉及磁共振 耦合无线电力传输系统的多环控制方法。

背景技术

无线电力传输技术可分为远场与近场两大类。其中近场磁共振耦 合无线电力传输技术实现了距离与效率的最佳平衡，因而被用于电动 汽车、手机、植入式医疗等设备的无线充电与供电。在这些应用中， 对无线电力传输系统有以下几个需求：

1)有效的保护机制。磁共振无线电力传输系统中的谐振单元 一般会具有很大的谐振能量，因此它需要有效的保护机制 来确保安全运行。

2)稳定的输出电压。无线电力传输系统作为一种电源，一般 情况下，需要为负载提供稳定的输出电压。

3)最高的传输效率。实现最高效率不仅是出于节能方面的考 虑，也是为了降低温升、确保可靠性、并提高功率密度。

由于实际使用中系统的传输距离和负载阻抗会发生随机变化，其 它参数也会有容差和漂移，系统的工作点将异于设计工作点，因此无 线电力传输需要一套控制系统来保证以上三点需求。然而目前的控制 方法往往针对单一目标，或是未能将多个目标结合起来。尚未有将上 述需求同时满足的控制方法的论述。

因此，需要一种能够满足对无线电力传输系统多方面要求的控制 方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁共振耦合无线电力传输系统的多 环控制方法，使得系统在参数变化时能够安全运行，并保持稳定的输 出电压，并实现最高的传输效率。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案。

利用电流环路、电压环路以及负载环路三个环路分别控制发射侧 的谐振电流、接收侧的输出电压以及接收侧的等效负载电阻，电流环 路确保系统的安全运行，具有最高目标优先级，电压环路保证系统的 稳定输出，具有第二目标优先级(即电压环路的优先级介于最高目标 优先级和最低目标优先级之间)，负载环路实现最高的传输效率，具 有最低目标优先级，三个环路按不同优先级在频域解耦。

对所述三个环路的具体描述为：

电流环路的控制对象为发射侧谐振电流的有效值或峰值，电流环 路的参考输入由负载环路提供，并设置安全上限，电流环路的控制手 段为调整发射侧直流/直流变换器的变比；

电压环路的控制对象为接收侧输出直流电压伏值，电压环路的参 考输入在系统设计时给定或用户可调，电压环路的控制手段为调整接 收侧直流/直流变换器的变比；

负载环路的控制对象为接收侧等效负载电阻，其控制目标是使得 传输效率最高，采用最大点跟踪控制算法，不需要参考输入，负载环 路的控制手段为调整电流环路的参考输入，迫使电压环路的调整，从 而改变等效负载电阻，使等效负载电阻等于最佳值，以此获得最高的 传输效率。

所述三个环路按不同优先级在频域解耦，又相互配合，具体描述 为：

电流环路拥有最快的调节速度，电压环路次之，负载环路最慢； 电流环路在调控时认为电压环路和负载环路均不存在，其控制对象模 型较为复杂；电压环路在调控时认为发射侧的谐振电流为低频扰动， 因此接收侧功率变换单元的输入电压也存在低频扰动，其控制方法类 似于普通直流/直流变换器的控制方法；负载环路在调控时认为系统 的直流输入电压和直流输出电压均恒定，并通过最小化直流输入电流 来使效率最高。

电流环路的信号流为：首先检测发射侧的谐振电流，通过信号调 理获得谐振电流的有效值或峰值，然后与参考电流比较，经比较得到 的误差进入电流调节器，电流调节器给出控制量，然后根据控制量产 生发射侧直流/直流变换器的驱动信号，从而调整逆变器的直流输入 电压。

电压环路的信号流为：该环路首先检测接收侧的输出电压，与参 考电压(预设或用户可调)比较，得到的误差进入电压调节器(例如 简单的PI调节器)，电压调节器则给出控制量(例如占空比)，然后 由PWM调制器产生接收侧直流/直流变换器的驱动信号，从而调整系 统的输出电压。

负载环路的程序流程为：该程序流程周期运行，周期远低于电流 环路和电压环路的时间常数，每个周期首先依据接收到的无线数字信 号判断系统输出是否欠压，若欠压，则增大电流环路的参考电流，否 则扰动参考电流，系统稳定后与扰动前的输入直流电流相比较，若输 入直流电流降低，那么在下个周期保持相同的扰动方向，否则在下个 周期改变参考电流的扰动方向。

本发明与已有的无线电力传输系统的控制方法相比，特点是采用 三个功能不同又相互配合的控制环，能够同时实现限流保护、输出稳 压、和效率最大化。目前的无线电力传输系统的控制方法往往只注重 输出稳压，其方法大多是变频或在输出侧加入直流调压环节；效率方 面，仅在系统设计时尝试优化稳态运行的效率，因而在工作点变化时 不能达到最高效率；同时限流保护一般作为一个独立的部分，未能与 动态控制器紧密结合，限流时的动态过程需要独立分析。而本发明的 多环控制方法浑然一体的实现了这三个控制目标，使得无线电力传输 系统总是安全的运行在最佳工作点。

附图说明

图1为本发明控制方法的磁共振无线电力传输系统的结构图，其 中V_in和V_o分别是系统的输入和输出直流电压，R_L是负载电阻，P是 从发射侧传输到接收侧的功率，M是两侧线圈的耦合系数，L₁和L₂为两侧线圈的自感，R₁和R₂为两侧线圈的等效串联电阻，C₁和C₂为两侧的谐振电容。

图2为各环路的控制框图或逻辑流程图，其中(a)为电流环路 控制框图，(b)为电压环路控制框图，(c)为负载环路程序流程图。

图3为耦合系数变化时开环系统与应用本发明控制方法的系统 的运行状态对比，其中(a)为发射侧谐振电流有效值，(b)为接收 侧输出电压伏值，(c)为系统的传输效率。

图4为负载电阻变化时开环系统与应用本发明控制方法的系统 的运行状态对比，其中(a)为发射侧谐振电流有效值，(b)为接收 侧输出电压伏值，(c)为系统的传输效率。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明所述磁共振耦合无线电力传输系统的多环控制方法是一 种多目标的控制方法，它可以同时满足对系统的三个主要要求：有效 的保护机制、稳定的输出电压和最高的传输效率。

本发明的关键技术是：(1)采用三个相互配合的调节环路分别控 制发射侧的谐振电流，接收侧的输出电压，和等效负载电阻。(2)发 射侧的电流环路拥有最快的调节速度，这不仅从原理上确保安全性， 也降低了接收控制器的设计难度。(3)负载环路拥有最慢的调节速度， 它通过调整电流环路的参考电流来改变发射侧谐振电流，并迫使接收 侧电压环路的调整，从而改变等效负载电阻，实现最高效率点跟踪的 算法。(4)负载环路的调节器被置于发射侧，在追踪最高效率时，只 需要获取平均输入电流和输出是否欠压两个信息，其中平均输入电流 可以是模拟量或数字量，输出是否欠压则是一个数字标志，它通过无 限通讯的方式由接收侧传递到发射侧。

参见图1，系统的能量传输部分由发射侧直流/直流变换器、逆变 器、发射侧LC谐振单元、接收侧LC谐振单元、整流器、接收侧直 流/直流变换器组成。发射侧逆变器采用固定开关频率运行。电流控 制器和负载控制器置于发射侧，电压控制器置于接收侧。电流控制器 接收负载控制器的给定值，检测逆变器的输出电流，控制发射侧直流 /直流变换器的变比。负载控制器以无线方式获得接收侧的状态，同 时检测输入直流电流，调节电流控制器的给定值。电压控制器检测系 统输出电压，调节接收侧直流/直流变换器的变比。

电流环路的信号流参见图2(a)：该环路首先检测发射侧的谐振 电流，通过信号调理获得其有效值或峰值，然后与参考电流(存在上 限)比较，得到的误差进入电流调节器(例如简单的PI调节器)，电 流调节器则给出控制量(例如占空比)，然后由PWM调制器产生发 射侧直流/直流变换器的驱动信号，从而调整逆变器的直流输入电压， 达到调节谐振电流的目的。电压环路的信号流参见图2(b)：该环路 首先检测接收侧的输出电压，与参考电压(预设或用户可调)比较， 得到的误差进入电压调节器(例如简单的PI调节器)，电压调节器则 给出控制量(例如占空比)，然后由PWM调制器产生接收侧直流/直 流变换器的驱动信号，从而调整系统的输出电压。负载环路的程序流 程参见图2(c)：该程序流程周期运行(周期远低于电流环路和电压 环路的时间常数)，每个周期首先依据接收到的无线数字信号判断系 统输出是否欠压，若欠压，则增大电流环的参考电流，否则进入最大 效率跟踪模式，即扰动参考电流，系统稳定后与扰动前的输入直流电 流相比较，若输入直流电流降低，则说明效率提高(在输入输出电压、 耦合系数及负载都不变或变化很慢的条件下)，那么在下个周期保持 相同的扰动方向，否则在下个周期改变参考电流的扰动方向。

为了说明本发明所述控制方法的有效性，利用表1的参数对系统 进行仿真。

表1用于仿真计算的系统参数

谐振电感L₁,L₂100μH 谐振电容C₁,C₂1nF 等效串联电阻R₁,R₂1Ω 逆变频率f_s503kHz 耦合系数k 0.05(默认值) 负载电阻R_L100Ω(默认值) 给定输出电压V_o-ref100V

参见图3，当耦合系数变化时，应用本发明控制方法后，发射侧 谐振电流总是低于电流上限，而开环系统在耦合系数很低时几乎是短 路状态(参见图3(a))，同时，系统的输出电压总是被稳定在给定 值，即100V(参见图3(b))，系统的效率也总是比开环运行时高， 尤其是当耦合系数较低时，效率相对开环系统有大幅提高(参见图3 (c))。

参见图4，当负载电阻变化时，应用本发明控制方法后，发射侧 谐振电流总是低于电流上限，而开环系统在负载电阻很大时几乎是短 路状态(参见图4(a))，同时，系统的输出电压总是被稳定在给定 值，即100V(参见图4(b))，系统的效率也总是比开环运行时高， 尤其是当负载电阻较小或较大时，效率相对开环系统有大幅提高(参 见图4(c))。

总之，应用本发明控制方法之后，磁共振无线电力传输系统的性 能会有大幅提高，具体表现为：(1)自动的避免发射侧谐振单元的近 乎短路的运行状态并限制谐振电流上限，(2)输出电压能在很大的参 数(耦合系数和负载电阻)变化范围内保持恒定，(3)对于确定的耦 合系数和负载电阻，系统总是能达到最高的理论效率。