阅读说明：本技术 一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法 (Constant-current output control and efficiency improvement method of wireless power transmission system based on variable-step-size disturbance observation method ) 是由 宋凯 魏睿智 朱春波 逯仁贵 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法,步骤1：给定原边逆变器的初始移相角α<Sub>0</Sub>,用以保证系统的额定输出电流；步骤2：副边可控整流变换器通过电流采样检测系统检测到输出电流I<Sub>o</Sub>,同时通过副边控制器调节PWM信号的移相角β,控制输出电流I<Sub>o</Sub>达到预设值；步骤3：基于变步长扰动观测法原边逆变器通过电流采样检测系统检测到输入电流I<Sub>dc</Sub>,同时通过原边控制器扰动PWM信号的移相角α,当追踪到系统输入电流I<Sub>dc</Sub>最小时停止扰动,此时系统效率最优。本发明基于变步长扰动观测法调节原边逆变电路的移相角,基于PI控制算法调节副边可控整流桥的移相角,以此来实现系统的恒流输出与最高效率。(The invention discloses a method for constant current output control and efficiency improvement of a wireless power transmission system based on a variable step size disturbance observation method, which comprises the following steps of 1: initial phase shift angle alpha of given primary side inverter 0 For ensuring the rated output current of the system; step 2: the secondary controllable rectifier converter detects the output current I through the current sampling detection system o simultaneously, the secondary side controller adjusts the phase shift angle beta of the PWM signal to control the output current I o Reaching a preset value; and step 3: primary side inverter detects input current I through current sampling detection system based on variable step disturbance observation method dc At the same time, the PW is disturbed by a primary side controllerphase shift angle alpha of M signal when tracking system input current I dc and stopping disturbance when the minimum time is reached, wherein the system efficiency is optimal. The constant current output and the highest efficiency of the system are realized by adjusting the phase shift angle of the primary side inverter circuit based on a variable step disturbance observation method and adjusting the phase shift angle of the secondary side controllable rectifier bridge based on a PI control algorithm.)

一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控 制和效率提升方法

技术领域

本发明属无线电领域，提出了一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法。

背景技术

无线电能传输系统具有安全性高、便捷性强、充电范围大等多种优点，并逐渐成为电气工程领域热门的研究方向；对该技术的深入研究，极大的推动了电动汽车、可穿戴设备及植入式医疗设备等相关产业的发展。

结合图1电池充电的典型“三段式”充电曲线，电池在大部分充电过程中应保持恒定电流(以下简称恒流)充电。在电池恒流充电过程中，电池电压随时间升高，因此，电池内阻随时间增大；然而，对于一套已设计好的无线电能传输系统而言，其最高效率对应的等效电阻值唯一，这对电池充电过程中既保证恒流充电又保证系统效率最高提出了严峻考验。

现有技术的方法中但当负载值发生变化时，该方法无法进行使用，增加了系统副边的体积，降低了系统便携性，大大增加了系统复杂性。

现有技术在对无线电能传输系统进行恒流输出控制和效率提升时，要么无法使两个目标同时满足，要么需要增加额外的硬件电路，要么算法的复杂度高耗时多，且误差较。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法通过检测系统输入电流的最小值和输出电流值，该方法通过检测系统输入电流的最小值和输出电流值，在此基础之上，基于变步长扰动观测法调节原边逆变电路的移相角，基于PI控制算法调节副边可控整流桥的移相角，以此来实现系统的恒流输出与最高效率。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法，所述无线电能传输系统包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边可控整流变换器和副边控制器，所述原边控制器通过隔离驱动连接原边逆变器，所述原边逆变器通过磁耦合机构连接副边可控整流变换器，所述副边可控整流变换器连接副边控制器，所述原边逆变器、磁耦合机构、副边可控整流变换器工作频率均相同；

所述无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法具体包括以下步骤：

步骤1：给定原边逆变器的初始移相角α₀，所述初始移相角α₀应保证系统的额定输出电流；

步骤2：副边可控整流变换器通过电流采样检测系统检测到输出电流I_o，同时通过副边控制器调节PWM信号的移相角α，控制输出电流I_o达到预设值；

步骤3：基于变步长扰动观测法原边逆变器通过电流采样检测系统检测到输入电流I_dc，同时通过原边控制器扰动PWM信号的移相角β，当追踪到系统输入电流I_dc最小时停止扰动；

步骤4：在电池充电过程中，不断重复步骤2到步骤3，直至充电完成。

所述步骤3中所述电流采样检测系统检测到输入电流I_dc通过变步长扰动观测法调节PWM信号的移相角α，所述变步长扰动观测法包括以下步骤：

步骤3.1：开始后根据输入电流I_dc的k次扰动I_dc(k)，通过公式：

ΔI_dc＝I_dc(k)-I_dc(k-1)

计算|ΔI_dc|的数值；

步骤3.2：判断|ΔI_dc|是否等于0；

当|ΔI_dc|≠0时，判断|ΔI_dc|是否大于阙值A，

当|ΔI_dc|＞A时，则|Δ|＝步长Δ2；

或当|ΔI_dc|≤A时，判断移相角扰动值|Δ|是否大于阙值B，

当|ΔI_dc|＞B时，则|Δ|＝步长Δ3；

或当|ΔI_dc|≤B时，则|Δ|＝步长Δ1；

当移相角扰动值|Δ|＝步长Δ2、移相角扰动值|Δ|＝步长Δ3或移相角扰动值|Δ|＝步长Δ1时，判断ΔI_dc是否小于0，

当ΔI_dc＜0时，则|Δ|＝-Δ；

或当ΔI_dc≥0时，则为公式α(k)＝α(k-1)+Δ，并不断重复步骤3.1到步骤3.2，直至|ΔI_dc|＝0时，结束程序；

步骤3.3：当|ΔI_dc|＝0时，结束程序。

|Δ|为提供调节PWM信号的移相角α的扰动值，-Δ表示提供调节PWM信号的移相角α的负扰动值，Δ表示提供调节PWM信号的移相角α的正扰动值。

磁耦合机构中的拓扑为串串SS基本拓扑、双边LCC复合拓扑、S-LCC复合拓扑或LCC-S复合拓扑。

所述步骤2具体为：

步骤2.1根据当前使用的拓扑结构形成电路参数表达式；

步骤2.2根据电路参数表达式计算出系统传输效率η；

步骤2.3对系统传输效率η求导，求出最佳等效负载值R_{e_opt}；

步骤2.4所述副边可控整流变换器的负载是原边逆变器的等效负载R_e为

式中R_o为负载电阻，β为副边可控整流移相角；

因此在保证等效负载输出恒流I_e情况下，实现最大效率的R_{e_opt}追踪，等价于原边直流母线电压U_bus一定时，搜索直流母线输入电流最小值I_{dc_min}，即

式中I_e为等效负载电流，R_{e_opt}为最佳等效负载值，I_{dc_min}为直流母线输入电流最小值，U_bus为原边直流母线电压；

副边PI控制算法调节副边可控整流移相角β来使等效负载值R_e达到最佳负载值R_{e_opt}，从而系统效率达到最佳η__opt，而迫使β变化的根本原因则是利用变步长扰动观测算法扰动调节原边逆变器的移相角α，使系统恒流输出。

原边逆变器拓扑为逆变器或DC-DC变换器和逆变器组合形成的逆变器。

副边可控整流变换器由无桥整流器或全桥整流和DC-DC变换器组合形成的整流器。

本发明的有益效果是：无需额外的无线通讯电路，无需互感估计，不需要实时计算原边电流给定值，也不需要给出原副边控制变量表达式，仅需检测原边输入电流值即可实现系统恒流输出以及对最高效率的追踪，系统算法简单迅速，且无超调现象出现。

附图说明

图1为已有的电池恒流恒压充电曲线；

图2为本发明的恒流输出控制和效率提升方法的双边LCC复合拓扑流程图。

图3为本发明的恒流输出控制和效率提升方法的SS基本拓扑流程图。

图4为本发明的恒流输出控制和效率提升方法的模型架构图。

图5为本发明的输出电流恒定和最小输入电流追踪波形。

图6为本发明的本发明方法与未采用本发明方法系统效率对比结果。

图7为本发明当线圈发生偏移时输出电流恒定和最小输入电流追踪波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法，所述无线电能传输系统包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边可控整流变换器和副边控制器，所述原边控制器通过隔离驱动连接原边逆变器，所述原边逆变器通过磁耦合机构连接副边可控整流变换器，所述副边可控整流变换器连接副边控制器，所述原边逆变器、磁耦合机构、副边可控整流变换器工作频率均相同；

所述无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法具体包括以下步骤：

步骤1：给定原边逆变器的初始移相角α₀，所述初始移相角α₀应保证系统的额定输出电流；

步骤2：副边可控整流变换器通过电流采样检测系统检测到输出电流I_o，同时通过副边控制器调节PWM信号的移相角α，控制输出电流I_o达到预设值；

步骤3：基于变步长扰动观测法原边逆变器通过电流采样检测系统检测到输入电流I_dc，同时通过原边控制器扰动PWM信号的移相角β，当追踪到系统输入电流I_dc最小时停止扰动，此时系统效率最优；

步骤4：在电池充电过程中，不断重复步骤2到步骤3，直至充电完成。

所述步骤3中所述电流采样检测系统检测到输入电流I_dc通过变步长扰动观测法调节PWM信号的移相角α，所述变步长扰动观测法包括以下步骤：

步骤3.1：开始后根据输入电流I_dc的k次扰动I_dc(k)，通过公式：

ΔI_dc＝I_dc(k)-I_dc(k-1)

计算|ΔI_dc|的数值；

步骤3.2：判断|ΔI_dc|是否等于0；

当|ΔI_dc|≠0时，判断|ΔI_dc|是否大于阙值A，

当|ΔI_dc|＞A时，则|Δ|＝步长Δ2；

或当|ΔI_dc|≤A时，判断移相角扰动值|Δ|是否大于阙值B，

当|ΔI_dc|＞B时，则|Δ|＝步长Δ3；

或当|ΔI_dc|≤B时，则|Δ|＝步长Δ1；

当移相角扰动值|Δ|＝步长Δ2、移相角扰动值|Δ|＝步长Δ3或移相角扰动值|Δ|＝步长Δ1时，判断ΔI_dc是否小于0，

当ΔI_dc＜0时，则|Δ|＝-Δ；

或当ΔI_dc≥0时，则为公式α(k)＝α(k-1)+Δ，并不断重复步骤3.1到步骤3.2，直至|ΔI_dc|＝0时，结束程序；

步骤3.3：当|ΔI_dc|＝0时，结束程序。

|Δ|为提供调节PWM信号的移相角α的扰动值，-Δ表示提供调节PWM信号的移相角α的负扰动值，Δ表示提供调节PWM信号的移相角α的正扰动值。

无线电能传输系统磁耦合机构采用双边LCC复合拓扑，原边逆变器为单个逆变器结构，副边整流器采用可控整流结构。针对其他形式的拓扑，仅需要根据系统模型建立参数间的函数关系，也同样能够采用该方法进行恒流输出控制和系统效率提升。

具体而言，开关管Q₁～Q₄组成原边全桥逆变电路，两组开关管(Q₁和Q₄) 和(Q₂和Q₃)交替导通，其输出电压U_s，原边电路的发射线圈L_p、发射线圈内阻R_p、原边补偿电感L₁、串联谐振电容C_p、并联谐振电容C₁构成原边谐振回路；副边电路的接收线圈L_s、发射线圈内阻R_s、副边补偿电感L₂、串联谐振电容C_s、并联谐振电容C₂构成副边谐振回路。能量由发射线圈通过空间磁场传输到副边，经过副边电路的可控整流与滤波电路后，为负载R_o(电池、超级电容等)提供直流电。

为降低电源输入的无功功率以及提高系统功率传输性能，一般尽可能保证原边和副边谐振频率与系统工作频率ω一致。因此，本发明所设计的电路参数满足如下关系式：

系统传输效率η为

式中M为互感，ω为系统工作频率，R_e为等效负载，L₂为副边补偿电感，R_p为发射线圈内阻，R_s为发射线圈内阻。

对上式求导，可求出满足最高效率的最佳等效负载值R_{e_opt}为

从副边可控整流看进去的等效负载R_e为

式中R_o为负载电阻，β为副边可控整流移相角。

因此在保证等效负载输出恒流I_e情况下，实现最大效率R_{e_opt}的追踪，等价于原边直流母线电压U_bus一定时，搜索直流母线输入电流最小值I_{dc_min}，即

式中η__opt为最佳传输效率，I_e为等效负载电流，R_{e_opt}为最佳等效负载值，I_{dc_min}为直流母线输入电流最小值，U_bus为原边直流母线电压。

因此，可利用如图2所示的副边PI控制算法调节副边可控整流移相角β来使等效负载值R_e达到最佳负载值R_{e_opt}，从而系统效率达到最佳传输效率η__opt，而迫使β变化的根本原因则是利用如图4所示的变步长扰动观测算法扰动调节原边逆变器的移相角α，使系统恒流输出。因此为保证满功率输出，当系统输入电压不变，追踪到输入电流最小时，系统效率达到最大，因此可通过检测输入电流的最小值来判断扰动停止的时刻。

图5为负载电压U_o由20V充至40V的结果，图中输出电流I_o保持恒定，而系统输入电流在本发明提出的变步长扰动观测算法下，逐渐减小。系统效率提升效果如图6所示，利用本发明提出的方法，系统效率保持在75％左右，而不利用本方法的效率随负载电压的升高则只有40％，证明了本发明的有效性。

实施例2

一种基于变步长扰动观测法的无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法，所述无线电能传输系统包括原边控制器、原边逆变器、磁耦合机构、副边可控整流变换器和副边控制器，所述原边控制器通过隔离驱动连接原边逆变器，所述原边逆变器通过磁耦合机构连接副边可控整流变换器，所述副边可控整流变换器连接副边控制器，所述原边逆变器、磁耦合机构、副边可控整流变换器工作频率均相同；

所述无线电能传输系统恒流输出控制和效率提升方法具体包括以下步骤：

步骤1：给定原边逆变器的初始移相角α₀，所述初始移相角α₀应保证系统的额定输出电流；

步骤2：副边可控整流变换器通过电流采样检测系统检测到输出电流I_o，同时通过副边控制器调节PWM信号的移相角α，控制输出电流I_o达到预设值；

步骤3：基于变步长扰动观测法原边逆变器通过电流采样检测系统检测到输入电流I_dc，同时通过原边控制器扰动PWM信号的移相角β，当追踪到系统输入电流I_dc最小时停止扰动，此时系统效率最优；

步骤4：在电池充电过程中，不断重复步骤2到步骤3，直至充电完成。

所述步骤3中所述电流采样检测系统检测到输入电流I_dc通过变步长扰动观测法调节PWM信号的移相角α，所述变步长扰动观测法包括以下步骤：

步骤3.1：开始后根据输入电流I_dc的k次扰动I_dc(k)，通过公式：

ΔI_dc＝I_dc(k)-I_dc(k-1)

计算|ΔI_dc|的数值；

步骤3.2：判断|ΔI_dc|是否等于0；

当|ΔI_dc|≠0时，判断|ΔI_dc|是否大于阙值A，

当|ΔI_dc|＞A时，则|Δ|＝步长Δ2；

或当|ΔI_dc|≤A时，判断移相角扰动值|Δ|是否大于阙值B，

当|ΔI_dc|＞B时，则|Δ|＝步长Δ3；

或当|ΔI_dc|≤B时，则|Δ|＝步长Δ1；

当移相角扰动值|Δ|＝步长Δ2、移相角扰动值|Δ|＝步长Δ3或移相角扰动值|Δ|＝步长Δ1时，判断ΔI_dc是否小于0，

当ΔI_dc＜0时，则|Δ|＝-Δ；

或当ΔI_dc≥0时，则为公式α(k)＝α(k-1)+Δ，并不断重复步骤3.1到步骤3.2，直至|ΔI_dc|＝0时，结束程序；

步骤3.3：当|ΔI_dc|＝0时，结束程序。

|Δ|为提供调节PWM信号的移相角α的扰动值，-Δ表示提供调节PWM信号的移相角α的负扰动值，Δ表示提供调节PWM信号的移相角α的正扰动值。

如图3所示，无线电能传输系统磁耦合机构采用串串(SS)基本拓扑，原边逆变器为单个逆变器结构，副边整流器采用可控整流结构。根据系统模型建立参数间的函数关系，同样能够采用该方法进行恒流输出控制和系统效率提升。

具体而言，开关管Q₁～Q₄组成原边全桥逆变电路，两组开关管(Q₁和Q₄) 和(Q₂和Q₃)交替导通，其输出电压U_s，原边电路的发射线圈L_p、发射线圈内阻R_p、串联谐振电容C_p构成原边谐振回路；副边电路的接收线圈L_s、发射线圈内阻R_s、串联谐振电容C_s构成副边谐振回路。能量由发射线圈通过空间磁场传输到副边，经过副边电路的可控整流与滤波电路后，为负载R_o(电池、超级电容等)提供直流电。

为降低电源输入的无功功率以及提高系统功率传输性能，一般尽可能保证原边和副边谐振频率与系统工作频率ω一致。因此，本发明所设计的电路参数满足如下关系式：

系统传输效率η为

式中M为互感，ω为系统工作频率，R_e为等效负载，R_p为发射线圈内阻，R_s为发射线圈内阻。

对上式求导，可求出满足最高效率的最佳等效负载值R_{e_opt}为

从副边可控整流看进去的等效负载R_e为

式中R_o为负载电阻，β为副边可控整流移相角。

因此在保证等效负载输出恒流I_e情况下，实现最大效率R_{e_opt}追踪，等价于原边直流母线电压U_bus一定时，搜索直流母线输入电流最小值I_{dc_min}，即

式中I_e为等效负载电流，R_{e_opt}为最佳等效负载值，I_{dc_min}为直流母线输入电流最小值，U_bus为原边直流母线电压。

因此，可利用如图3所示的副边PI控制算法调节副边可控整流移相角β来使等效负载值R_e达到最佳负载值R_{e_opt}，从而系统效率达到最佳η__opt，而迫使β变化的根本原因则是利用如图4所示的变步长扰动观测算法扰动调节原边逆变器的移相角α，使系统恒流输出。因此为保证满功率输出，当系统输入电压不变，追踪到输入电流最小时，系统效率达到最大，因此可通过检测输入电流的最小值来判断扰动停止的时刻。

图7给出了当线圈发生突然偏移时的结果，可见系统输入电流在本发明提出的变步长扰动观测算法下追踪最小值I_{dc_min}，而当线圈突然发生偏移时(互感M 变化)，如图7中虚线框所示，直流母线输入电流I_dc受其影响会发生变化，但之后仍继续追踪最小值。而在整个过程中，输出电流I_o仍然保持恒定，即利用本发明提出的方法，无需互感估计和双边无线通信，可自适应的维持系统恒流和最大效率跟踪。

无线电能传输系统磁耦合机构还可以采用S-LCC复合拓扑或LCC-S复合拓扑，原边逆变器和副边整流器与实施例1、实施例2相同，同样能够采用该方法进行恒流输出控制和系统效率提升。