一種用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法，基于無線電能傳輸系統的開環電路，所述無線電能傳輸系統的開環電路包括直流電源、逆變器、原副邊諧振網絡及整流器，直流電源、逆變器、原副邊諧振網絡、整流器及蓄電池依次相連接；包括以下步驟：判斷蓄電池的充電階段，所述蓄電池的充電階段包括恒流充電階段、恒功率充電階段及恒壓充電階段；當蓄電池處于恒流充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制；當蓄電池處于恒功率充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制；當蓄電池處于恒壓充電階段時，逆變器采用跳頻移相控制方法進行控制，該方法能夠實現蓄電池的全范圍高效率充電，并且系統的安全性及穩定性較高。
【專利說明】
-種用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種閉環控制方法，具體設及一種用于蓄電池全范圍充電的閉環控制 方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳輸是一種安全便捷的電能傳輸方式，具有使用靈活方便、少維護、可適應惡 劣環境、易于實現無人自動供電和移動式供電的優點。磁禪合諧振式無線電能傳輸技術較 好地滿足了距離、效率、功率和安全等方面的需求，在電動車、消費電子、傳感器和植入設備 等領域具有廣闊的應用前景。實際使用中，由于原副邊傳輸距離、禪合系數、等效負載阻抗 等因素會發生隨機變化，往往沒有針對蓄電池的充電采取明確有效的控制策略，運樣會降 低系統的效率和運行的穩定性、安全性。
[0003] 傳統的蓄電池充電方式是先恒流充電后恒壓充電，由于恒流和恒壓過渡點切換會 產生較大的峰值充電功率，對蓄電池和系統的整體性能要求較高，而且存在潛在的安全隱 患。因此，需要一種控制策略能夠將蓄電池快速高效充電和無線充電裝置的潛在的價值結 合起來，實現蓄電池的全范圍高效率充電。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種用于蓄電池全范圍充電的 閉環控制方法，該方法能夠實現蓄電池的全范圍高效率充電，并且能夠提高系統的安全性 和穩定性。
[0005] 為達到上述目的，本發明所述的用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法基于無線 電能傳輸系統的開環電路，所述無線電能傳輸系統的開環電路包括直流電源、逆變器、原副 邊諧振網絡、整流器及蓄電池，直流電源、逆變器、原副邊諧振網絡、整流器及蓄電池依次相 連接；
[0006] 包括W下步驟：
[0007] 判斷蓄電池的充電階段，所述蓄電池的充電階段包括恒流充電階段、恒功率充電 階段及恒壓充電階段；
[000引當蓄電池處于恒流充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制；
[0009] 當蓄電池處于恒功率充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制；
[0010] 當蓄電池處于恒壓充電階段時，逆變器采用跳頻移相控制方法進行控制。
[0011] 當判斷蓄電池處于恒流充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制的具 體操作為：
[001^ 逆變器的輸出頻率與原副邊諧振網絡的諧振頻率相等且恒定，整流器的控制器采 集蓄電池的充電電壓和電流信息，再將蓄電池的充電電壓及電流信息轉發至逆變器的控制 器，逆變器的控制器根據預設蓄電池的恒流充電給定值與蓄電池的充電電流信息進行PID 運算，然后對PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定；
[0013] 逆變器的控制器采集的原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值，并將所述原副邊諧振 網絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后 將PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制 信號控制逆變器的移相角。
[0014] 當判斷蓄電池處于恒功率充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制的 具體操作為：
[0015] 逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的諧振頻率相等且恒定，整流器的控制器采集 蓄電池的充電電壓和電流信息，再將蓄電池的充電電壓和電流信息轉發至逆變器的控制 器，逆變器的控制器根據預設蓄電池的充電功率給定值、W及蓄電池的充電電壓和電流信 息進行PID運算，然后對PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰 值的給定；
[0016] 逆變器的控制器采集的原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值，并將所述原副邊諧振 網絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后 將PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制 信號控制逆變器的移相角。
[0017] 當蓄電池處于恒壓充電階段時，逆變器采用跳頻移相控制方法進行控制的具體操 作為：
[0018] 逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的分叉頻率相等且恒定，整流器的控制器采集 蓄電池的充電電壓和電流信息，將蓄電池的充電電壓和電流信息發送到逆變器的控制器 中，逆變器控制器根據蓄電池的預設恒壓充電給定值及蓄電池的充電電壓信息進行PID運 算，然后將PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定；
[0019] 逆變器的控制器采集原副邊諧振網絡中原邊的諧振電流峰值，再將所述原副邊諧 振網絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然 后將PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調 制信號控制逆變器的移相角。
[0020] 判斷蓄電池的充電階段的具體操作為：
[0021] 整流器的控制器采集蓄電池的電壓信息及電流信息，然后將蓄電池的電壓信息及 電流信息轉發至逆變器的控制器，逆變器的控制器根據蓄電池的電壓信息及電流信息計算 蓄電池的等效直流電阻，然后根據蓄電池的等效直流電阻判斷蓄電池的充電階段。
[0022] 本發明具有W下有益效果：
[0023] 本發明所述的用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法在具體操作時，通過判斷蓄 電池的充電階段，再根據蓄電池所處的充電階段對逆變器采用不同的控制方法進行控制， 當蓄電池處于恒流充電階段時，則對逆變器采用定頻移相控制；當蓄電池處于恒功率充電 階段時，逆變器采用定頻移相控制；當蓄電池處于恒壓充電階段時，逆變器采用跳頻移相控 審IJ，從而使蓄電池能夠在全范圍進行高效率充電，同時使整個充電系統安全性及穩定性得 到大幅提升。
[0024] 進一步，將原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流 峰值的給定進行PID運算，然后將PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信 號，在提高系統的動態響應能力的同時能夠限定原邊諧振網絡的電感電流峰值。在跳頻移 相控制過程中，逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的分叉頻率相等且恒定，實現了蓄電池 輕載充電下系統的穩定。采用上述蓄電池的=段式充電方法，可降低對無線充電機的最大 充電功率裕量的要求，提高資源利用率和系統運行的穩定性和安全性。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明中無線電能傳輸系統的開環主電路圖；
[0026] 圖2(a)為蓄電池充電電壓和電流隨蓄電池等效直流電阻Rbt的變化曲線；
[0027] 圖2(b)為蓄電池的充電功率隨蓄電池等效直流電阻Rbt的變化曲線；
[0028] 圖3(a)為無線電能傳輸系統的總體運行控制框圖；
[0029] 圖3(b)為無線電能傳輸系統的頻率控制邏輯圖；
[0030] 圖3(c)為無線電能傳輸系統的控制框圖；
[0031] 圖4為蓄電池全范圍充電時系統電壓增益的變化曲線圖
[0032] 圖5(a)為無線電能傳輸系統的運行于A點的穩態Matlab仿真波形圖；
[0033] 圖5(b)為無線電能傳輸系統的運行于B點左側的仿真波形圖；
[0034] 圖5(c)為無線電能傳輸系統的運行于C點左側的穩態Matlab仿真波形圖；
[0035] 圖5(d)為無線電能傳輸系統的運行于C點右側的穩態Matlab仿真波形圖；
[0036] 圖5(e)為無線電能傳輸系統的運行于D點的穩態Matlab仿真波形圖；
[0037] 圖6為充電電壓和電流隨蓄電池等效直流電阻的變化曲線圖；
[0038] 圖7為充電功率和效率隨蓄電池等效直流電阻的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0040] 圖1中分別為原邊線圈及副邊線圈的基波電流有效值，化、化分別為逆變器 的交流輸出基波電壓有效值及整流器的中點電壓基波有效值，Vi、ii分別為無線電能傳輸系 統的直流輸入電壓及直流輸入電流，V2、12分別為無線電能傳輸系統的直流輸出電壓及直流 輸出電流，Vbt、Ibt分別為蓄電池的端口電壓及充電電流。
[OOW 圖3中Voref、I Dref、Pore汾別為蓄電池的充電電壓參考值、充電電流參考值及充電功 率參考值，VDdc、lDdc、PDd。分別為蓄電池的充電電壓實際值、充電電流實際值及充電功率實際 值，Wn為標么化諧振角頻率，&為逆變器的移相角，Ilref為原副邊諧振網絡中原邊線圈諧振 電流的峰值給定值，Ilfb為原副邊諧振網絡中原邊線圈諧振電流的峰值采樣值，如圖3(a)所 示，整流器的控制器采樣蓄電池當前的輸入電壓Vbt及輸入電流Ibt,通過2.4G化的無線射頻 模塊將蓄電池當前的輸入電壓Vbt及輸入電流Ibt發送給逆變器的控制器中，逆變器根據蓄 電池當前的輸入電壓Vbt及輸入電流Ibt改變逆變器的頻率及移相角。
[0042]如圖3(b)所示，逆變器的控制器根據蓄電池當前的輸入電壓Vbt及輸入電流Ibt計 算蓄電池的等效輸入電阻Rbt,判斷蓄電池所處的充電階段，然后根據蓄電池所處的充電階 段給出充電指令，需要說明的是，當判斷蓄電池位于恒流充電及恒功率充電階段時，逆變器 輸出頻率與原副邊諧振網絡的諧振頻率相等且恒定；當判斷蓄電池位于恒壓充電階段時， 逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的高分叉頻率相等且恒定。綜上所述，此控制策略通過 調節逆變器移相角達到輸出恒流、恒功率和恒壓的控制目標。
[0043] 本發明的關鍵技術在于采用蓄電池的=段式充電曲線，設計對應的=段式控制策 略，通過整流器的控制器實時檢測蓄電池充電的狀態，從而根據蓄電池的狀態給出逆變器 的控制量。
[0044] 參見圖1，系統的能量傳輸部分由逆變器將直流電壓逆變為高頻的交流電壓，驅動 LC串聯原副邊諧振網絡，副邊接收線圈感應出高頻的電感電壓，經過副邊的LC串聯原副邊 諧振網絡及整流器將交流電壓整流為直流電壓，然后再為蓄電池充電。
[0045] 參考圖2,當判斷蓄電池處于A-B段時，逆變器采用定頻移相控制;逆變器的標么化 角頻率COn固定為1，并且給定輸出電流Ibt的參考指令進行恒流控制，逆變器的控制器根據 預設蓄電池的恒流充電給定值、W及蓄電池的充電電流信息進行PID運算，然后對PID運算 的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定；同時逆變器的控制器 采集的原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值，并將所述原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值與 原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后將PID運算的結果限定幅值 后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制信號控制逆變器的移相角， 最終目的是通過調節原副邊諧振網絡中原邊諧振電流的峰值改變整流器輸出的直流電流。
[0046] 當判斷蓄電池處于圖2中的B-C段時，即當蓄電池處于恒功率充電階段時，逆變器 采用定頻移相控制，逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的諧振頻率相等且恒定為1，整流器 的控制器采集蓄電池的充電電壓和電流信息，然后將蓄電池的充電電壓和電流信息轉發至 逆變器的控制器，逆變器的控制器根據預設蓄電池的充電功率給定值、W及蓄電池的充電 電壓和電流信息進行PID運算，然后對PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原 邊諧振電流峰值的給定；
[0047] 逆變器的控制器采集的原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值，并將所述原副邊諧振 網絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后 將PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制 信號控制逆變器的移相角，最終通過調節原副邊諧振網絡中原邊諧振電流的峰值改變整流 器的輸出功率。
[0048] 當判斷蓄電池處于圖2中的C-D段時，即當蓄電池處于恒壓充電階段時，逆變器采 用跳頻移相控制，逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的分叉頻率相等且恒定，其中
整流器的控制器采集蓄電池的充電電壓和電流信息發送到逆變器的控制器中， 逆變器控制器根據蓄電池的預設恒壓充電給定值及蓄電池的充電電壓信息進行PID運算， 然后將PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定；
[0049] 逆變器的控制器采集原副邊諧振網絡中原邊的諧振電流峰值，再將所述原副邊諧 振網絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然 后將PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調 制信號控制逆變器的移相角，最終通過調節原副邊諧振網絡的原邊諧振電流的峰值改變整 流器的輸出電壓。
[0050] 圖4為無線電能傳輸系統開環電壓增益隨開關頻率的變化曲線圖，圖4中，Rea、Reb、 Rec、Red分別為無線電能傳輸系統工作于A、B、C、D點時整流器的等效輸入交流電阻，圖4中的 A、B、C、D點分別為圖2中的四個點，需要說明的是，在蓄電池從恒流充電切換到恒功率充電 的過程中，由于蓄電池的等效電阻變化并不大，因此采用《n=l的定頻控制，此時系統開環 電壓增益變化也不大。但是當系統進入恒壓充電狀態時，蓄電池的等效電阻變化范圍很大， 蓄電池電壓增益變化很大，運十分不利于系統的穩定。因此，將諧振頻率點切換到分叉頻率 處，考慮到逆變器的ZVS，將開關頻率設置在高分叉頻率CO nH處，當k = O . 2時，對應CO nH = 1 . 118，系統穩態運行的軌跡對應于圖4中的虛線。
[0051]為了說明本發明所述控制方法的有效性，利用表1的參數對系統進行仿真，表1為 蓄電池等效直流電阻的參數，其中，直流等效電阻化T為整流器直流側電壓V2比Vl的值;而交 流等效電阻Re為整流器交流側基波電壓有效值化比副邊諧振網絡的諧振電流有效值Il2的 值。
[0化2] 表1 [0化3]
[0054]表2為列舉的仿真和實驗的系統參數，表2中，Li和L2分別為原邊線圈及副邊線圈的 自感量，k為原邊線圈與副邊線圈之間的禪合系數，Cl和C2分別為原邊線圈及副邊線圈的諧 振電容，R謝化分別為原邊線圈及副邊線圈的等效串聯電阻，fo為系統的諧振頻率。
[0化5] 棄9 [0化6]
[0057]參見圖5(a)，系統運行于A點時的穩態波形圖，Ui為逆變器交流側的輸出方波電 壓，Il為原副邊諧振網絡的原副邊電感電流，V2為整流器的輸出直流側電壓，可W看出V2 = 48V，蓄電池的等效電阻直流電阻Rbt = 12 Q，對應輸出恒流12 = 4A，通過定頻移相控制策略 可W達到較好的控制效果。
[005引參見圖5 (b)，系統運行于B點時的穩態波形圖，可W看出輸出電壓V2 = 62.5V，蓄電 池的等效直流電阻Rbt= 15.63 Q，對應輸出恒流I2 = 4A，通過定頻移相控制策略可W達到較 好的控制效果。
[0059] 參見圖5(c)，系統運行于C點左側時的穩態波形圖，可W看出輸出電壓V2 = 72V，蓄 電池的等效直流電阻Rbt = 20.74Q，對應輸出功率Pbt = 250W，通過定頻移相控制策略可W 達到較好的控制效果。
[0060] 參見圖5(d)，系統運行于C點右側時的穩態波形圖，可W看出輸出電壓V2 = 72V，蓄 電池的等效直流電阻Rbt = 20.74 Q，對應輸出功率Pbt = 250W，通過跳頻移相控制策略可W 達到較好的控制效果。
[0061] 參見圖5(e)，系統運行于D點時的穩態波形圖，可W看出輸出電壓V2 = 72V，蓄電池 等效直流電阻Rbt = 144 Q，對應輸出電壓V2 = 72V，輸出電流12 = 0.5A，通過跳頻移相控制策 略可W達到較好的控制效果。
[0062] 為了說明本發明所述控制方法的有效性，本發明從實驗的角度驗證了系統穩態運 行的特性，并測量了系統全范圍充電的輸出電壓、電流、功率和效率隨蓄電池等效直流電阻 Rbt變化的曲線。
[0063] 參見圖6,系統穩態運行時，蓄電池的端電壓V2和電流電流12的標么值隨蓄電池的 等效負載的變化關系，從圖6中可W看出，在A-B段，蓄電池先W4A的電流進行恒流充電，蓄 電池的電壓V2緩慢上升，到達B點W后，系統W250W的功率對蓄電池進行恒功率充電，電流 從4A緩慢減小，直至到達C點，在C點處，系統的輸出電壓為72V，輸出電流3.47A;當系統從C 點左側跳轉至右側運行時，逆變器采用跳頻控制，實現系統的穩壓72V輸出，直至運行至D 點，系統進入浮充狀態。
[0064] 參見圖7,系統穩態運行時，蓄電池的輸出功率標么值和整機效率隨蓄電池的等效 直流電阻化T的變化關系。運行機理與圖6-致，在定頻控制下，蓄電池進行恒流和恒功率充 電的過程中，效率基本維持在90%左右，當系統跳頻至91.68曲Z恒壓輸出時，效率較定頻率 Un= 1時有較大的提升，效率隨著蓄電池負載電阻的增大先增大后減小，效率最優值為 93.56%。
[0065] 綜上所示，應用本發明控制方法之后，可使蓄電池進行全范圍充電，充電效率較 局。
【主權項】
1. 一種用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法，其特征在于，基于無線電能傳輸系統 的開環電路，所述無線電能傳輸系統的開環電路包括直流電源、逆變器、原副邊諧振網絡、 整流器及蓄電池，直流電源、逆變器、原副邊諧振網絡、整流器及蓄電池依次相連接； 包括以下步驟： 判斷蓄電池的充電階段，所述蓄電池的充電階段包括恒流充電階段、恒功率充電階段 及恒壓充電階段； 當蓄電池處于恒流充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制； 當蓄電池處于恒功率充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制； 當蓄電池處于恒壓充電階段時，逆變器采用跳頻移相控制方法進行控制。2. 根據權利要求1所述的用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法，其特征在于，當判斷 蓄電池處于恒流充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制的具體操作為： 逆變器的輸出頻率與原副邊諧振網絡的諧振頻率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄 電池的充電電壓和電流信息，再將蓄電池的充電電壓及電流信息轉發至逆變器的控制器， 逆變器的控制器根據預設蓄電池的恒流充電給定值與蓄電池的充電電流信息進行PID運 算，然后對PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定； 逆變器的控制器采集的原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值，并將所述原副邊諧振網絡 中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后將PID 運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制信號控 制逆變器的移相角。3. 根據權利要求1所述的用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法，其特征在于，當判斷 蓄電池處于恒功率充電階段時，逆變器采用定頻移相控制方法進行控制的具體操作為： 逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的諧振頻率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄電 池的充電電壓和電流信息，再將蓄電池的充電電壓和電流信息轉發至逆變器的控制器，逆 變器的控制器根據預設蓄電池的充電功率給定值、以及蓄電池的充電電壓和電流信息進行 PID運算，然后對PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給 定； 逆變器的控制器采集的原副邊諧振網絡中原邊的電流峰值，并將所述原副邊諧振網絡 中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后將PID 運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制信號控 制逆變器的移相角。4. 根據權利要求1所述的用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法，其特征在于，當蓄電 池處于恒壓充電階段時，逆變器采用跳頻移相控制方法進行控制的具體操作為： 逆變器輸出頻率與原副邊諧振網絡的分叉頻率相等且恒定，整流器的控制器采集蓄電 池的充電電壓和電流信息，將蓄電池的充電電壓和電流信息發送到逆變器的控制器中，逆 變器控制器根據蓄電池的預設恒壓充電給定值及蓄電池的充電電壓信息進行PID運算，然 后將PID運算的結果限定幅值后作為原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定； 逆變器的控制器采集原副邊諧振網絡中原邊的諧振電流峰值，再將所述原副邊諧振網 絡中原邊的電流峰值與原副邊諧振網絡中原邊諧振電流峰值的給定進行PID運算，然后將 PID運算的結果限定幅值后作為逆變器移相角的調制信號，再通過逆變器移相角的調制信 號控制逆變器的移相角。5.根據權利要求1所述的用于蓄電池全范圍充電的閉環控制方法，其特征在于，判斷蓄 電池的充電階段的具體操作為： 整流器的控制器采集蓄電池的電壓信息及電流信息，然后將蓄電池的電壓信息及電流 信息轉發至逆變器的控制器，逆變器的控制器根據蓄電池的電壓信息及電流信息計算蓄電 池的等效直流電阻，然后根據蓄電池的等效直流電阻判斷蓄電池的充電階段。
【文檔編號】H02J7/02GK105826997SQ201610341006
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月20日
【發明人】王躍, 蔣勇斌, 劉軍文, 劉銘, 寧改娣
【申請人】西安交通大學