本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車以及儲(chǔ)能領(lǐng)域，尤其是涉及一種諧振式無線充電系統(tǒng)中線圈自感的辨識(shí)方法。

背景技術(shù)：

隨著大眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電動(dòng)汽車越來越受到人們的青睞。然而電動(dòng)汽車充電難的問題嚴(yán)重制約了電動(dòng)汽車的普及，現(xiàn)有的接觸式充電方式一方面充電過程不安全，且由于充電樁的建設(shè)費(fèi)用過于昂貴，導(dǎo)致其數(shù)量較少，造成充電的不便。相比之下，電動(dòng)汽車的無線充電過程安全、舒適；并且充電線圈由于可以埋于地下，可以直接由現(xiàn)有停車位改建而成，大大降低充電成本。所以安全便捷、低成本的無線充電具有極大的市場需求。

為降低電動(dòng)汽車無線充電耦合機(jī)構(gòu)工作時(shí)對(duì)非工作區(qū)域內(nèi)電磁環(huán)境的影響，提高耦合效率，并增強(qiáng)無線充電系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要對(duì)電動(dòng)汽車無線充電過程中的空間電磁能量進(jìn)行約束，及對(duì)無線充電耦合機(jī)構(gòu)進(jìn)行磁屏蔽。目前常用的方法是在耦合機(jī)構(gòu)外加上鐵氧體材料。

當(dāng)駕駛員有意對(duì)齊位于地面的發(fā)射線圈和固定在車輛底盤某處的接收線圈時(shí)，車輛停放總會(huì)存在一個(gè)相對(duì)誤差，也就是線圈位錯(cuò)的情況是不可避免的。無線充電系統(tǒng)需要加入磁屏蔽材料之后才能夠?qū)嵻噾?yīng)用。而加入磁屏蔽材料之后，發(fā)射線圈和接收線圈的位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致線圈自感發(fā)生變化，此時(shí)，發(fā)射端電路和接收端電路不再諧振，系統(tǒng)的無功功率消耗增加，無線電能傳輸?shù)男式档?。如何調(diào)節(jié)系統(tǒng)使系統(tǒng)再次諧振，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的電能傳輸效率，是無線充電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中必須解決的實(shí)際工程問題。線圈的自感無法直接測(cè)量，也無法通過計(jì)算得到具體的值，所以尋找合適的方法明確線圈的自感是最基本的問題，為以后的調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)的信息。因此設(shè)計(jì)了最小二乘的參數(shù)辨識(shí)方法對(duì)自感進(jìn)行辨識(shí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種計(jì)算簡單、辨識(shí)精度高、在線辨識(shí)、解決系統(tǒng)失諧、提高效率的諧振式無線充電系統(tǒng)中線圈自感的辨識(shí)方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種諧振式無線充電系統(tǒng)中線圈自感的辨識(shí)方法，用以分別獲取諧振式無線充電系統(tǒng)中諧振器發(fā)射端和接收端的線圈自感，包括以下步驟：

1)建立無線充電系統(tǒng)中諧振器的等效電路模型并進(jìn)行簡化；

2)根據(jù)簡化后的等效電路模型建立瞬態(tài)狀態(tài)空間方程，并對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)方程進(jìn)行拉普拉斯變換和雙線性離散化，獲取最小二乘的矩陣形式；

3)采用最小二乘法對(duì)矩陣形式進(jìn)行估計(jì)，獲取過程矩陣形式中參數(shù)矢量的最小二乘估計(jì)值；

4)將參數(shù)矢量的最小二乘估計(jì)值代入矩陣形式中進(jìn)行求解，最終得到發(fā)射端和接收端的線圈自感。

所述的步驟2)具體包括以下步驟：

21)選取諧振器的發(fā)射端諧振電流i_s、發(fā)射端諧振電壓v_cs、接收端諧振電流i_D、接收端諧振電壓v_CD和濾波電容電壓v_c為狀態(tài)變量，建立瞬態(tài)狀態(tài)空間方程；

22)對(duì)瞬態(tài)狀態(tài)空間方程進(jìn)行拉普拉斯變換求解獲取輸入電壓U_s(s)與接收線圈電流I_d(s)之間的傳遞函數(shù)；

23)對(duì)傳遞函數(shù)采用雙線性離散的方法進(jìn)行離散化處理后，并進(jìn)行反變換后，得到最小二乘的矩陣形式。

所述的步驟21)中，瞬態(tài)狀態(tài)空間方程為：

Δ＝L_sL_D-M²

其中，C_s為發(fā)射端補(bǔ)償電容，C_D為接收端補(bǔ)償電容，L_s為發(fā)射端線圈電感，L_D為接收端線圈電感，R_s為發(fā)射端線圈內(nèi)阻，R_D為接收端線圈內(nèi)阻，sgn(·)為符號(hào)函數(shù)，M為互感，C_F為濾波電容，v_B為充電電池電壓，r為充電電池等效電阻，u_s為發(fā)射端電壓。

所述的步驟22)中，傳遞函數(shù)為：

[a₁]＝[C_dC_sM]

其中，a₁、b₁、b₂、b₃、b₄、b₅均為傳遞函數(shù)參量。

所述的步驟23)中，最小二乘的矩陣形式為：

Z_L＝H_Lθ

Z_L＝[I_d(k) I_d(k+1) … I_d(k+L)]^T

其中，Z_L和H_L為數(shù)據(jù)矩陣，θ為最小二乘辨識(shí)的過程矢量，m₁、m₂、m₃、m₄、m₅、n₁、n₂、n₃、n₄、n₅均為過程變量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、簡單，易于實(shí)現(xiàn)：利用最小二乘原理所擬定的辨識(shí)算法在實(shí)施上比較簡單。

2、辨識(shí)精度高：成批處理觀測(cè)數(shù)據(jù)一次完成算法，估計(jì)精度高

3、易于實(shí)現(xiàn)在線辨識(shí)：易于轉(zhuǎn)化為遞推最小二乘，用于實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)。

4、可以解決系統(tǒng)失諧的問題：辨識(shí)線圈的自感，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率可以使系統(tǒng)再次諧振。從而解決系統(tǒng)失諧的問題。

5、提高效率：辨識(shí)線圈的自感，依據(jù)自感值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率，緩解失諧問題，減少虛功的消耗，明顯提升無線電能傳輸?shù)男省?/p>

附圖說明

圖1無線充電系統(tǒng)的磁耦合諧振器的等效電路模型示意圖。

圖2最小二乘辨識(shí)算法流程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

本發(fā)明的目的可以通過以下幾個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：

1)構(gòu)建基于最小二乘的無線充電系統(tǒng)的線圈自感的辨識(shí)方法所使用的等效電路模型結(jié)構(gòu)圖；

2)針對(duì)第一部分的模型圖進(jìn)行簡化，在可靠的基礎(chǔ)上使式子簡便化；

3)根據(jù)簡化后的模型圖可知，可以建立最小二乘方法所需要的差分方程形式，取準(zhǔn)則函數(shù)使得模型參數(shù)的最可能的值與計(jì)算值的累積誤差的平方和達(dá)到最小處，所得到的這種模型的輸出能夠最好的接近實(shí)際系統(tǒng)的輸出；

4)建立瞬態(tài)狀態(tài)空間方程，并將該方程組進(jìn)行拉普拉斯變換。取輸入量和輸出量，并計(jì)算出傳遞函數(shù)，然后，利用雙線性離散化的方法將該傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化，得到最小二乘法所需要的差分方程的形式，利用最小二乘的辨識(shí)方法辨識(shí)過程變量的值，根據(jù)過程變量與發(fā)射線圈、接收線圈自感之間的關(guān)系計(jì)算出線圈的自感，完成線圈自感的辨識(shí)；

5)線圈的自感辨識(shí)達(dá)到一定的精度之后，再將簡化的模型轉(zhuǎn)化為實(shí)際的模型，再進(jìn)行線圈自感的辨識(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明如上所述的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)，如這里具體地和廣泛地描述，提供一種基于最小二乘法的無線電能傳輸系統(tǒng)線圈自感的辨識(shí)方法。建立磁耦合諧振器的數(shù)學(xué)模型，然后，通過建立系統(tǒng)非線性高階微分方程完成對(duì)數(shù)據(jù)矩陣的構(gòu)建并在此基礎(chǔ)上利用最小二乘來完成對(duì)系統(tǒng)過程參數(shù)的辨識(shí)，通過過程參數(shù)矢量及線圈自感之間的線性關(guān)系完成對(duì)線圈自感的辨識(shí)，將直接對(duì)線圈自感的辨識(shí)問題轉(zhuǎn)換為對(duì)系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的問題。

如圖2所示，本發(fā)明完整的實(shí)施步驟如下：

1)圖1所示為本發(fā)明提出的基于最小二乘的無線充電系統(tǒng)的線圈自感的辨識(shí)方法所使用的等效電路模型結(jié)構(gòu)圖。諧振器是無線充電裝置的核心模塊，由一對(duì)非接觸耦合線圈和其匹配電路組成。發(fā)射線圈將交變電流轉(zhuǎn)化為空間中交變磁能，同在空間近處的接收線圈通過交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)電壓，在負(fù)載上產(chǎn)生電流，完成能量從發(fā)射線圈到接收線圈的傳遞。該系統(tǒng)由發(fā)射電路和接收電路兩個(gè)獨(dú)立的部分所組成。在發(fā)射電路部分，電壓源u_s(t)提供整個(gè)系統(tǒng)的電能輸入，C_s為發(fā)射端電容，L_s為發(fā)射線圈的自感，R_s為發(fā)射端電阻。C_D為接收端電容，L_D為接收線圈的自感，R_D為接收端電阻。

2)將第一步驟中的系統(tǒng)模型進(jìn)行簡化，結(jié)合諧振式無線充電系統(tǒng)特有的負(fù)載特性，研究無線充電應(yīng)用中的全橋逆變器控制方法車用無線充電系統(tǒng)針對(duì)普通家庭應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，能量源為220V 50Hz交流市電，負(fù)載為300V車用動(dòng)力電池組，本例中將負(fù)載簡化成為一個(gè)電阻，采用純電阻負(fù)載進(jìn)行計(jì)算。

3)根據(jù)上述系統(tǒng)可以獲得如下形式的差分方程：

z(k)+a₁z(k-1)+…+a_mz(k-m)＝b₁u(k)+b₂u(k-1)+…+b_n+1u(k-n)

式中，z(k)為系統(tǒng)輸出量的第k次觀測(cè)值，z(k-1)為系統(tǒng)輸出量的第k-1次觀測(cè)值，以此類推；u(k)為系統(tǒng)的第k次輸入值，u(k-1)為系統(tǒng)的第k-1次輸入值；

可以將上式改寫成如下式子：

z(k)＝-a₁z(k-1)-…-a_mz(k-m)+b₁u(k)+b₂u(k-1)+…+b_n+1u(k-n)

由于k存在一系列取值，因此可進(jìn)一步將式子改寫成最小二乘的矩陣形式：

Z_L＝H_Lθ

其中，

Z_L＝[z(k) z(k+1) ... z(k+L)]^T

θ＝[a₁ … a_m b₁ … b_m+1]^T

H_L為系統(tǒng)數(shù)據(jù)矩陣；L為數(shù)據(jù)長度。

取準(zhǔn)則函數(shù)：

使J(θ)＝min的θ估計(jì)值記作

顯然，可通過最小二乘法，得到過程參數(shù)矢量θ的最小二乘估計(jì)。

此時(shí)，辨識(shí)得到過程參數(shù)矢量與系統(tǒng)參數(shù)(如電阻、電感、電容)之間存在線性關(guān)系，通過對(duì)線性方程進(jìn)行分解變換，便可獲得發(fā)射線圈和接收線圈的自感信息，完成線圈自感的辨識(shí)。

4)通過無線充電系統(tǒng)的磁耦合諧振器的數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)非線性高階微分方程并完成對(duì)數(shù)據(jù)矩陣的構(gòu)建。構(gòu)建過程如下：首先選取發(fā)射端的諧振電流i_s、初級(jí)諧振電壓v_cs、次級(jí)諧振電流i_D、次級(jí)諧振電壓v_CD、濾波電容電壓v_c為狀態(tài)變量，建立瞬態(tài)狀態(tài)空間方程。

引入符號(hào)函數(shù)sgn(x)對(duì)整流橋進(jìn)行簡化，將諧振器的負(fù)載電壓表達(dá)為相位受諧振電流控制，幅值被濾波電容鉗位，電流源u_D＝v_c sgn(i_D)。將整流橋的輸出電流表示為諧振電流的絕對(duì)值i_D sgn(i_D)。可以得到諧振器與濾波電路的瞬態(tài)狀態(tài)空間方程。

其中Δ＝L_sL_D-M²，sgn(x)為符號(hào)函數(shù)，

5)簡化后的諧振器電路的狀態(tài)空間方程進(jìn)行拉普拉斯變換可以得到如下式子：

解方程可以得到I_d(s)、U_s(s)之間的關(guān)系為：

(b₁s⁴+b₂s³+b₃s²+b₄s+b₅)I_d＝a₁s³U_s

進(jìn)而獲得如下傳遞函數(shù)：

其中，

[a₁]＝[C_dC_sM]

為了獲得更為精準(zhǔn)的系統(tǒng)離散模型，經(jīng)過分析比較選用雙線性離散的方法對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行離散化處理。離散化處理之后得到如下式子：

式中，c＝2/T，T為采樣周期。

將離散化后的傳遞函數(shù)進(jìn)行反變換可以構(gòu)建出該系統(tǒng)的一組差分方程：

最終可以得到該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)矩陣和過程參數(shù)矢量：

Z_L＝[I_d(k) I_d(k+1) … I_d(k+L)]^T

由以上的式子可以用最小二乘辨識(shí)方法辨識(shí)得到過程參數(shù)估計(jì)值由于系統(tǒng)中互感可以在線檢測(cè)出來，電容及計(jì)生電阻等均為已知值，并且輸入的電壓值和輸出的電流值都可以檢測(cè)得到。因此可以比較容易獲得參數(shù)估計(jì)值和發(fā)射線圈L_s、接收線圈L_d之間的關(guān)系進(jìn)而求得線圈的自感，完成線圈自感的辨識(shí)。