基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统，在原边采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，得到原边阻抗Zp；在直流电压源与逆变器之间设置DC‑DC变换器，并结合原边阻抗Zp和预设参考曲线Zpref控制DC‑DC变换器的占空比，从而完成对系统传输能量的控制。其效果是：在不需要原副边通信和增加额外硬件电路的情况下，仅通过对原边逆变输出电流和电压的检测以及逆变输入电压的控制便可实现对副边输出电压、电流的控制，使得无线电能传输控制变得易实现、成本低、体积小及易于广泛推广。

Primary Edge Control Method of Wireless Charging System Based on Load Characteristics and Its Implementation System

The invention discloses a primary-side control method and its implementation system of a wireless charging system based on load characteristics. The primary-side impedance Zp is obtained by collecting the output voltage Up and the working current Ip of the inverter on the primary-side, and a DC_DC converter is set between the DC voltage source and the inverter, combining the primary-side impedance Zp and the preset reference curve Zpref. The duty cycle of DC DC converter is controlled to control the transmission energy of the system. The effect is that, without the need of the original side communication and additional hardware circuit, the control of the secondary side output voltage and current can be realized only by detecting the output current and voltage of the original side inverters and controlling the input voltage of the inverters, which makes the transmission control of radio energy easy to realize, low cost, small size and so on. It is easy to be popularized widely.

【技术实现步骤摘要】
基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统
本专利技术涉及无线电能传输技术和电源转换技术，具体涉及一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法及其实现系统。
技术介绍
随着科技的进步，电子装置的种类已经日益增加，同时电子装置对于电力的需求也逐步上升，使得人们对移动电源的需求日益增加。在多种设备，多种场合情况下的电力传输需求量大面广，仅仅从硬件适配上来满足现有电子设备的电力传输要求已经远远不够，进行普适性的配置显然更不可能，于是无线电能传输技术得以广泛应用。感应耦合无线电能传输技术(ICPT)借助于高频磁场构建供电设备与用电设备之间的能量传输通道，实现能量以非接触形式传输，克服了传统接触式供电方式在恶劣环境(如高湿、高温、高腐蚀、易爆燃环境)下应用的弊端，具有高可靠性、高安全性、低维护性等特点。目前已被广泛应用于电动汽车、水下机器人等领域。在ICPT系统应用中，通常要对输出电压或输出电流进行控制以满足不同的负载需求。目前，ICPT系统常用的控制方法主要包括：原边直接控制、原副边协同控制以及原边间接控制。原边直接控制方法即通过在副边实时检测输出电压、电流信息，然后将检测信息通过无线通信的方式发送到原边，原边控制器根据接收到的电压、电流信息进行相应的控制以达到对输出量的直接控制。ICPT系统中常用的无线通信方式有射频、蓝牙、Zigbee、能量信号同步传输等。这种方法由于直接对输出量进行检测和控制，因此能够实现较精确的控制，但该方法也存在一些问题：一方面，采用无线通信进行信息传输会带来反馈信息的传输延时，影响系统的控制速度甚至安全性能；另一方面，系统工作时电磁环境复杂，导致无线通信误码率高、波特率低等问题。原副边协同控制方法即在副边增加控制模块，副边控制模块通过采集输出电压、电流信息进而对输出量进行控制，原边控制器根据输出要求进行功率控制。有研究提出了一种通过在副边额外加入可控保护电路以对输出电压、电流进行限幅，同时在原边进行功率控制而实现副边输出恒压、恒流控制的方案。该方法具有控制速度快、控制精度高等优点。但是为实现恒压恒流控制，增加了可控保护电路，增加了系统的体积和成本。也有研究提出了一种在副边增加动态调谐电路，通过改变副边谐振程度以实现对输出功率的控制。这种方法可以使系统工作频率和固有谐振频率一致，动态性能很好，但是大大增加了系统的控制复杂度。还有研究提出了一种通过在原副边都增设DC-DC变换器对输入、输出功率分别进行控制以实现最大效率跟踪的方法。原边间接控制方法即检测与控制都在原边进行，通过检测原边逆变电压、电流量，换算为副边输出量从而进行间接控制。有研究提出了一种原边控制方案，通过采集原边补偿电容电压与逆变电流，然后进行信号处理得到二者相位差，计算得到副边对应的输出信息，然后与设定值比较而得出误差信息，根据所得误差信息来给出相应的控制手段。该方案有效解决了原副边通信的问题，但是需要计算得到电压、电流相位差信息，加大了程序处理的复杂度。综合来看，基于现有技术水平，对无线电能传输系统进行控制具有一定的难度，现有技术存在着成本高、控制复杂、不易于实现等等问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提出了一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，并使用该方法针对可无线充放电锂电池设计出了一种相应的系统。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其关键在于按照以下步骤进行：S1：在原边电路的逆变器输出端上设置电压电流检测模块，并实时采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，从而得到原边阻抗Zp；S2：在直流电压源与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，通过控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比调节输出电压；S3：判断充电是否完成，如果已完成，则控制结束，否则进入步骤S4；S4：判断原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间是否存在偏差；如果是，则调整占空比，返回步骤S1循环进行；如果不存在偏差，则保持当前占空比，返回步骤S1循环进行。可选地，步骤S4中，基于原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间的偏差，采用PI调节控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比。可选地，根据原边阻抗Zp的变化速率判断充电是否完成。可选地，在发射线圈上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。一种用于实现上述方法的系统，包括原边电路和副边电路，所述原边电路中设置有直流电源Edc、逆变器以及原边谐振回路，所述副边电路中包括副边谐振回路、整流电路以及负载模块，其关键在于：在直流电源Edc与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，在逆变器输出端上设置电压电流检测模块，所述电压电流检测模块输出端连接在负载辨识模块的输入端上，所述负载辨识模块根据逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip得到原边阻抗Zp，所述负载辨识模块的输出端与分段控制模块相连，所述分段控制模块根据负载辨识模块所得原边阻抗Zp和预设的不同时段的原边等效阻抗参考曲线Zpref控制所述BUCK电路中开关管驱动信号的占空比。可选地，所述原边谐振回路是由补偿电容Cp和发射线圈Lp构成的串联谐振回路。可选地，在所述发射线圈Lp上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱动信号，使得所述逆变器工作在ZCS软开关状态。可选地，在所述副边电路整流电路和负载模块之间连接有防电流反向二极管D2。本专利技术的显著效果是：无线电能传输系统通过采用此控制方法，在不需要原副边通信和增加额外硬件电路的情况下，仅通过对原边逆变输出电流和电压的检测以及逆变输入电压的控制便可实现对副边输出电压、电流的控制，使得无线电能传输控制变得易实现、成本低、体积小及易于广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1为SS型锂离子电池无线充电系统结构框图；图2为电池充电特性曲线图；图3为副边等效电路图；图4为简化后的副边等效电路；图5为原边等效电路图；图6为原副边等效电路图；图7为原副边阻抗及电池电量关系图；图8为控制思想流程图；图9为原边直接控制下的电池充电特性曲线；图10等效负载及原边阻抗曲线；图11为闭环控制效果图；图12为原边阻抗控制方案下的电池特性曲线；图13为原边恒阻控制下的电池特性曲线；图14为原边阻抗控制下的实验波形图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本实施例以锂离子电池无线充电系统为例做详细说明，其电路拓扑如图1所示，包括原边电路和副边电路，原边电路中设置有直流电源Edc、逆变器以及原边谐振回路，副边电路中包括副边谐振回路、整流电路以及负载模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：S1：在原边电路的逆变器输出端上设置电压电流检测模块，并实时采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，从而得到原边阻抗Zp；S2：在直流电压源与逆变器之间设置有DC‑DC变换器，该DC‑DC变换器采用BUCK电路，通过控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比调节输出电压；S3：判断充电是否完成，如果已完成，则控制结束，否则进入步骤S4；S4：判断原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间是否存在偏差；如果是，则调整占空比，返回步骤S1循环进行；如果不存在偏差，则保持当前占空比，返回步骤S1循环进行。

【技术特征摘要】
1.一种基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：S1：在原边电路的逆变器输出端上设置电压电流检测模块，并实时采集逆变器输出电压Up和原边工作电流Ip，从而得到原边阻抗Zp；S2：在直流电压源与逆变器之间设置有DC-DC变换器，该DC-DC变换器采用BUCK电路，通过控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比调节输出电压；S3：判断充电是否完成，如果已完成，则控制结束，否则进入步骤S4；S4：判断原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间是否存在偏差；如果是，则调整占空比，返回步骤S1循环进行；如果不存在偏差，则保持当前占空比，返回步骤S1循环进行。2.根据权利要求1所述的基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于：步骤S4中，基于原边阻抗Zp与原边等效阻抗参考曲线Zpref之间的偏差，采用PI调节控制BUCK电路中的开关管驱动信号的占空比。3.根据权利要求1所述的基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于：根据原边阻抗Zp的变化速率判断充电是否完成。4.根据权利要求1所述的基于负载特性的无线充电系统原边控制方法，其特征在于：在发射线圈上连接有电流过零采样模块，所述电流过零采样模块输出端与浮频软开关控制模块相连，通过发射线圈电流的过零信号产生逆变开关管的驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐春森，王智慧，孙跃，陈国东，左志平，苏玉刚，戴欣，朱婉婷，叶兆虹，饶超，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50