[发明专利]一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线充电系统的控制方法，特别涉及一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法。

背景技术

无线充电的概念最早是由美国科学家特斯拉提出的。2007年，麻省理工学院的研究者提出了磁耦合谐振无线电能传输的新方法，并“隔空”点亮了一盏2米开外的60W灯泡。随后，无线充电技术受到了越来越多的关注，并应用于嵌入式医疗、手机以及电动汽车充电等领域。

然而在实际应用中，无线能量传输线圈之间经常出现偏移的情况，带来无线充电系统效率严重下降的不良影响。CN 103532254 A“一种应用于WPT系统的工作频率自适应调节装置”检测无线充电系统的电能信号，通过无线传输信号送到DSP系统进行比较分析，使系统工作在最佳频率点。但并未提到使系统工作在最佳频率点的控制方法。CN 103219807 A“一种自适应无线电能传输装置”，利用微控制器跳频技术，根据环境中的电磁频率自动调整发射频率和谐振频率。但其同样未给出确定最佳工作频率的具体方法。因此，需要一种在无线充电系统偏移的情况下，计算确定最优控制频率的具体方法，以提高系统的偏移容忍度。

发明内容

本发明的目的是克服当前无线充电系统在偏移情况下出现效率严重下降的问题，提出一种提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法。本发明可为无线充电系统控制算法的设计提供依据，进而提高无线充电系统的稳定性，并降低系统的控制复杂度、提高控制速度。

应用本发明控制方法的无线充电系统包括系统电源、逆变器、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路、整流器、系统负载、以及系统控制器。系统电源为整个无线充电系统提供电能，逆变器的输入端与系统电源相连，将电源提供的电能转化为高频交流电；逆变器的输出端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路相连，通过无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路使得逆变器转化的高频交流电以空间电磁场的方式实现无线传输；整流器的输入端与无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路相连，将接收到的高频交流电转化为直流电，最终为与整流器输出端连接的系统负载供电；上述部件之间通过电缆连接。系统控制器通过改变逆变器中电力电子器件的开关频率对整个无线充电系统进行控制，系统控制器与逆变器之间通过电线连接。

本发明提高无线充电系统偏移容忍度的控制方法包含以下步骤：

步骤A、建立包含系统电源、逆变器、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路、整流器和系统负载的无线充电系统模型；

步骤B、测量在无线能量传输线圈对准和偏移情况下的无线充电系统模型参数；

步骤C、根据无线充电系统模型求得系统效率的表达式；

步骤D、利用系统效率表达式求解在无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率；

步骤E、将求得的不同偏移情况下的最优控制频率进行拟合，得到频率控制曲线；

步骤F、将频率控制曲线通过编程应用于系统控制器中，对无线充电系统进行控制。

本发明的控制方法是通过计算求得无线能量传输线圈偏移情况下的最优控制频率，使无线充电系统在偏移情况下保持较高的效率，以提高无线充电系统偏移容忍度。

所述步骤A的建立无线充电系统模型过程中，将所述的系统电源和逆变器综合考虑作为无线充电系统模型的源U_S；并将所述的整流器和系统负载综合考虑作为无线充电系统模型的负载Z_L。

所述步骤A的建立无线充电系统模型过程中，根据不同线圈结构和阻抗匹配电路结构，考虑无线能量传输线圈的自电感、互电感、杂散电阻，以及阻抗匹配电路中的电感、电容和杂散电阻的影响。无线充电系统的建模过程中以集总参数表示无线充电系统的各种变量和杂散参数，其中无线能量传输线圈的自电感与线圈的杂散电阻串联，而线圈之间的感性耦合作用则等效表示为与线圈之间的互电感；在阻抗匹配电路中，电感的杂散电阻与电感串联，电容的杂散电阻与电容串联，而电感和电容之间的连接方式则取决于阻抗匹配电路的拓扑结构。由此，无线充电系统的建模过程全面考虑了无线充电系统中的各种变量和杂散参数，使得建立的模型能够很好地表示实际无线充电系统，具有很高的精度。

所述步骤B中待测量电气参数的测量手段包括：采用示波器对电源电压进行测量，采用阻抗分析仪对负载阻抗、无线能量传输线圈及其阻抗匹配电路的电气参数进行测量。