[发明专利]感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法

说明书

本发明公开一种感应耦合式无线能量传输装置及其自抗扰控制方法，装置包括整流单元、发射端逆变单元、发射端谐振单元、电流检测单元、自抗扰控制单元、接收端谐振单元，利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输装置建立小信号模型用以描述装置内部暂态变化过程，在小信号模型基础上，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输装置的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，进而实现装置发射端电流高速稳定的控制，并有效弥补因装置参数变化而导致的性能差异，保证整个装置系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性，且不需要接收端与发射端之间的通信。

技术领域

本发明涉及一种感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法，属于无线电能传输技术领域。

背景技术

为了进行无功补偿和增强能量传输效率，感应耦合式无线能量传输系统中一般都会利用由多个储能元件构成的谐振网络之间的耦合来进行能量传输，并且系统在不同的工作状态下会表现出不同的动力学行为，因此感应耦合式无线能量传输系统不可避免的成为一个典型的高阶非线性系统，其数学模型也只能通过一定程度的近似来得到。同时，感应耦合式无线能量传输系统的传输特性与负载状况，谐振频率偏移程度等多种因素密切相关。在感应耦合式无线能量传输系统的应用场景中，接收负载位置不一定是固定的，数量可以是一个或多个，而且可以随时切入和切出系统，具有很强的不确定性。发射和接收谐振网络也可能元器件的因为老化和坏损，导致其谐振频率偏移系统设定的工作频率，而系统的传输性能又对频率偏移非常敏感。因此在大多数情况下，感应耦合式无线能量传输系统都需要根据系统模型及负载特性设计快速有效的控制器，保证系统能够在稳态下工作并具有一定的鲁棒性。

专利1：磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，申请号201510777765.0，该发明提供一种磁耦合谐振式无线电能传输系统及其双侧自调谐方法，该系统通过在发射回路中增加一个阻抗调节网络来实现发射回路自动调谐，而无需在接收回路额外增加阻抗调节网络，仅通过调节发射端电源工作频率来间接实现接收回路自动调谐。

专利2：一种磁谐振无线电能传输系统及其阻抗匹配方法，申请号201510390662.9，该发明提供一种磁谐振无线电能传输系统及其阻抗匹配方法，利用自动阻抗匹配模块及阻抗匹配算法，通过控制电机控制器调节匹配网络中的可变电抗元件实现阻抗匹配，解决了磁谐振无线输电系统中随着接收端与发射端相对位置改变导致传输性能急剧降低的问题。

上述专利虽然利用不同的控制器或控制策略，实现系统的稳态运行，但都需要通过调节发射端阻抗来满足发射端与接收端的谐振阻抗匹配，对于发射端的装置不仅成本提高，体积也增大，并且专利1还需要从接收端反馈信息，增加了发射端和接收端通信的难度。在一般的感应耦合式无线能量传输系统设计过程中，设计者都会忽略其动态特性而直接只根据负载模型进行设计。虽然只考虑系统的稳态特性可以简化设计过程，但是已经不能完全满足目前越来越广泛的应用场景。例如，在对高速行进中的车辆进行动态充电的系统中，由于车辆行进速度很快，其运行在某个充电模块作用范围内的时间窗口极其短，这就需要高速稳定的控制器使得充电模块可以在很短的时间内形成稳定的充电磁场。在植入式设备的应用中，由于人的运动会导致发射与接收线圈之间的相对距离变化而引发负载突变，若没有动态性能稳定的控制器对发射装置进行实时调节，由此导致的超调和振荡等问题可能会使设备损坏，甚至发生危险。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的问题，提出了一种感应耦合式无线能量传输系统及其自抗扰控制方法。主要目的是利用广义状态空间平均法，对感应耦合式无线能量传输系统建立小信号模型，用以描述系统内部暂态变化过程并向自抗扰控制设计提供参考；在感应耦合式无线能量传输系统的广义状态空间平均模型基础上，利用自抗扰控制理论设计应耦合式无线能量传输系统的自抗扰控制单元，实现自抗扰控制单元对系统发射端电流高速稳定的控制，同时实现自抗扰控制单元对因反射电压扰动引起的线圈电流变化的有效抑制，并有效弥补因系统参数变化而导致的性能差异，保证整个系统具有优良的动态过程和很强的鲁棒性，而且不需要接收端与发射端之间的通信。