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申请/专利权人：中国人民解放军陆军装甲兵学院

摘要：本发明提供一种无人地面车辆无线电能传输系统多模式控制方法，包括以下步骤：确定引起系统控制状态转换的事件，构建无人地面平台无线电能传输系统的状态转换图，并基于状态转换图确定无人地面平台无线电能传输系统的多个输出控制模式，包括无通信条件下的恒压或恒流输出控制、有通信条件下最大效率跟踪及恒压或恒流输出控制和有通信条件下最大功率跟踪控制；根据各个输出控制模式的条件和要求，确定各个输出控制模式的控制策略优化目标函数和设计优化指标，并构建控制模式切换函数，根据当前系统状态下通过控制模式切换函数切换无线电能传输系统的传输模式。本发明提供了一种多模式控制策略，满足了无人地面车辆多工况运行的需要。

主权项：1.一种无人地面车辆无线电能传输系统多模式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：确定引起系统控制状态转换的事件，构建无人地面平台无线电能传输系统的状态转换图，并基于状态转换图确定无人地面平台无线电能传输系统的多个输出控制模式，包括无通信条件下的恒压或恒流输出控制、有通信条件下最大效率跟踪及恒压或恒流输出控制和有通信条件下最大功率跟踪控制；其中，在发射端和接收端无通信时，采用无通信条件下的恒压或恒流输出控制模式；在发射端和接收端有通信且系统处于轻载或正常负载条件下时，采用有通信条件下最大效率跟踪及恒压或恒流输出控制模式；在发射端和接收端有通信且系统处于重载或过载条件下时，采用有通信条件下最大功率跟踪控制模式；根据各个输出控制模式的条件和要求，确定各个输出控制模式的控制策略优化目标函数和设计优化指标，并构建控制模式切换函数，根据当前系统状态下通过控制模式切换函数切换无线电能传输系统的传输模式；其中，所述控制模式切换函数如下式所示： 式中，α、β、γ为传感器采集的通信信号，取值为0或1，分别判定系统是否处于通信联通的工作模式下、系统是否处于最大效率的工作模式下以及系统是否处于最大功率的工作模式下；a、A分别为无通信条件下的恒压或恒流输出控制策略优化目标函数和设计优化指标；b、B分别为有通信条件下最大效率跟踪及恒压或恒流输出控制策略优化目标函数和设计优化指标；c、C分别为有通信条件下最大功率跟踪控制策略优化目标函数和设计优化指标；所述无人地面平台无线电能传输系统包括依次连接的输入直流电源、逆变电路、LCC或S补偿电路、耦合线圈、整流电路、Buck电路、负载及控制电路；所述输入直流电源为系统提供直流电压输入；所述逆变电路将输入的直流电压逆变为高频交流电压并通过改变PWM驱动信号实现移相控制，调节输入电压；所述LCC或S补偿电路补偿系统无功功率，提高系统功率因数；整流电路将高频交流电整流为直流电；所述Buck电路通过改变驱动PWM信号占空比控制系统输出电压、电流以及补偿电路接收端负载等效阻抗；所述负载为储能设备充电时的等效模型；其中，所述逆变电路中，经过移相控制的输出电压Uin与输入电压U0关系为： 所述补偿电路的接收端电路阻抗ZS、将接收端电路阻抗映射到发射端的反射阻抗Zref、发射端输入阻抗Zin分别为： 其中，LS为接收线圈自感；CS为谐振电容；ZE为接收端等效阻抗；RS为接收线圈内阻；M为线圈互感；IP为通过发射线圈电流；Rf为谐振电感内阻；Cf为谐振补偿电容；RP为发射线圈内阻；CP为隔直电容；LP为发射线圈自感；Lf为谐振补偿电感；ω是系统谐振角频率；若要使输入阻抗满足ZPA条件，则Cf、CP、CS、Lf、LP、LS需要满足如下条件： 忽略电感电容的寄生参数，系统发射线圈电流、输出电压和输出电流分别为： 其中，UE为补偿电路输出电压；IS为通过接收线圈电流；所述LCC或S补偿电路系统各支路电流及系统输出电压分别为： 其中，If为通过谐振电感电流；系统输入功率Pin、输出功率Pout、系统效率η分别为： 所述整流电路中，全桥整流电路由四个二极管D1-D4组成，假设整流环节的损耗忽略不计，全桥整流电路输出电压UB和电流IB分别为： 系统输入输出功率相等，得： 其中，ZB为Buck电路输入阻抗；将式8代入式10后化简得，输入端和输出端等效阻抗之间的关系为： 所述Buck电路由MOS管QB、二极管DB、电感LB和电容CB构成，能实现输出电压小于输入电压的功能且输入输出电压极性相同，在连续导通模式下输入电压UB和输出电压UR之间的关系以及等效阻抗ZB和负载电阻RL之间的关系分别为： 其中，D为Buck电路控制PWM信号占空比，且0＜D＜1；由式9、11、12得知，接收端整流及调压电路输入输出关系为： 其中，IR为输出电流；由式13得知，通过改变Buck电路控制PWM信号占空比D来改变LCC或S补偿电路输出端负载等效阻抗ZE，其变化范围为： 所述无人地面平台无线电能传输系统的发射端电路参数的互感估计值Mest的求解包括以下步骤：联立式3与式13，接收端电路阻抗映射到发射端的反射阻抗为： 发射端谐振电容Cf两端电压为： 发射端谐振电容Cf两端电压与流过谐振电容Cf电流的关系为： 进一步推导，得： 其中，为和的相角差；则互感估计值Mest的表达式为： 式中，ω是系统谐振角频率，由逆变电路的逆变频率计算求得，发射端谐振电容Cf两端电压流过谐振电容Cf电流及二者之间的相位差由电压或电流传感器测得，Buck电路占空比D、负载电阻RL由接收端测得并通过无线通信方式发送到发射端；所述无通信条件下的恒压或恒流输出控制，具体为，在发射端和接收端无通信时采样负载端电压、电流并计算电压电流有效值，使用PID控制器输出Buck电路占空比D，实现系统的恒压或恒流输出控制策略；包括以下步骤：在无线电能传输系统发射端和接收端之间无通信的条件下，需要实现电流闭环控制和电压闭环控制两种控制方式，则：联立式5与式13，设使系统恒压输出的Buck电路占空比为DCV，使系统恒流输出的Buck电路占空比为DCC，得系统负载电压和电流的表达式如下： 由上式得知，输出电压与接收部分Buck电路的占空比为DCV，耦合线圈互感M，补偿电路输入电压Uin，谐振补偿电感Lf有关，输出电流与接收部分Buck电路的占空比为DCC，耦合线圈互感M，补偿电路输入电压Uin，谐振补偿电感Lf，负载电阻RL有关；在无线电能传输系统中，谐振补偿电感Lf是系统参数，保持不变；补偿电路输入电压Uin受发射端逆变电路控制，通过无线通信方式获得；耦合线圈互感M负载电阻RL会随着耦合线圈运动或储能设备的充电过程发生变化；故控制接收部分Buck电路的占空比来控制输出电流和输出电压，对式20化简得： PID控制器的输出表示为： 其中，Kp为比例系数，Ti、Td分别为积分、微分时间常数；上式中，误差et是控制器的输入部分，是电压或电流与反馈值的差值，ut为控制器的输出；在PID控制过程中，分别用单位时间内误差信号的增量运算以及全加运算代替式中的微分运算、积分运算，则： 其中，en为第n次采样的误差信号；采用增量式PID控制算法进行分析，令增量Δun＝un-un-1，则：un＝un-1+Kp+Ki+Kden-Kp+2Kden-1+Kden-224所述无人地面平台无线电能传输系统在恒压或恒流模式时，电压或电流传感器采集接收端电路电压电流信息到控制器，控制器内选择恒压或恒流模式；恒压模式下，传感器采集的Buck电路输出到负载RL的电压UR和电流IR先经过过压或过流保护电路，防止调压电路在运行过程中输出电流上升太快对元器件造成冲击，过压或过流保护电路输出目标电压UR_ref，其与采样电压UR的差值UR_err作为电压环PID输入，通过线性组合，电压环输出Buck电路控制PWM信号的占空比DVV给驱动电路，控制Buck电路输出目标电压；恒流模式下，传感器采集的Buck电路输出到负载RL的电压UR和电流IR先经过过压或过流保护电路，防止调流电路在运行过程中输出电压上升太快对元器件造成冲击，过压或过流保护电路输出目标电流IR_ref，其与采样电流IR的差值IR_ref作为电流环PID输入，通过线性组合，电流环输出Buck电路控制PWM信号的占空比DCC给驱动电路，控制Buck电路输出目标电流；所述有通信条件下最大效率跟踪及恒压或恒流输出控制，具体为，通过理论推导系统最大效率阻抗条件，在接收端使用PID控制器实现阻抗匹配并将电压或电流控制量通过无线通信传输到发射端，发射端控制电路通过对高频逆变电路进行移相控制来改变输入电压，实现系统最大效率跟踪及恒压或恒流输出；包括以下步骤：对耦合线圈的互感Mest进行估计；推导系统效率最大时的阻抗条件，对式7求导，由函数极值判断条件得： 解得： 由式14得知ZE取值范围为ZE＞8RLπ2；则当ZE-ηmax＞8RLπ2时，系统效率η随等效阻抗ZE的增加而先增大后减小，当ZE＝ZE-ηmax时系统效率η存在极大值；联立式13与式26，得使得系统工作在最大效率点的Buck电路占空比DMET的表达式为： 系统效率随负载等效阻抗变化存在极大值，当系统互感被估计后，求得系统最大传输效率时的最优等效负载，改变Buck电路占空比来追踪最优等效负载，此时为了同时实现恒压或恒流输出，需要调节发射端输入电压或者电流，来实现系统恒压或恒流输出；联立式2513得输出电压、输出电流与输入电压之间的关系为： 对上式化简得： 通过修改发射端高频逆变电路移相角θ来改变输出电压或输出电流；系统在最大效率模式时，在发射端，电压或电流传感器采集发射端电路电压电流信息到发射端控制器，发射端控制器内选择最大效率模式；接收端负载电阻RL，Buck电路占空比DMET通过无线数据传输模块到发射端，与发射端谐振电容Cf两端电压流过谐振电容Cf电流及二者之间的相位差共同传输到线圈互感估计算法，得出线圈互感的估计值Mest；线圈互感的估计值Mest一边用于计算全桥逆变器移相控制PWM信号，一边传输到发射端控制器通过无线数据通信模块发送到接收端；在接收端，电压或电流传感器采集接收端电路电压电流信息到接收端控制器，接收端控制器内选择最大效率模式；使用发射端计算的线圈互感的估计值Mest和其他电路基本参数计算最大效率点对应阻抗Ze_ref，其与采样阻抗的差值Ze_err作为阻抗匹配PID输入，通过线性组合，阻抗匹配PID输出Buck电路控制PWM信号的占空比给驱动电路，控制Buck电路输出目标阻抗；为了实现系统最大效率跟踪的同时实现恒压或恒流输出，发射端根据从接收端通过无线数据通信模块传输的负载电阻RL、Buck电路占空比DE-ηmax计算移相角θCC或θCV；所述有通信条件下最大功率跟踪控制，包括以下步骤：推导系统功率最大时的阻抗条件，对式7求导，由函数极值判断条件得： 解得： 由式14得知ZE取值范围为ZE＞8RLπ2；则当ZE-ηmax＞8RLπ2时，输出功率Pout随等效阻抗ZE的增加而先增大后减小，当ZE＝ZE-Pmax时输出功率Pout存在极大值；联立式1331，使得系统工作在最大功率点的Buck电路占空比DMPT的表达式为： 系统功率随负载等效阻抗变化存在极大值，当系统互感被估计后，求得系统最大传输功率时的最优等效负载，改变Buck电路占空比来追踪最优等效负载；系统在最大功率模式时，在发射端，电压或电流传感器采集发射端电路电压电流信息到发射端控制器，发射端控制器内选择最大功率模式；接收端负载电阻RL，Buck电路占空比D通过无线数据传输模块到发射端，与发射端谐振电容Cf两端电压流过谐振电容Cf电流及二者之间的相位差共同传输到线圈互感估计算法，得出线圈互感的估计值Mest；线圈互感的估计值Mest传输到发射端控制器通过无线数据通信模块发送到接收端；在接收端，电压或电流传感器采集接收端电路电压电流信息到接收端控制器，接收端控制器内选择最大功率模式；使用发射端计算的线圈互感的估计值Mest和其他电路基本参数计算最大功率点对应阻抗ZP_ref,其与采样阻抗的差值ZP_err作为阻抗匹配PID输入，通过线性组合，阻抗匹配PID输出Buck电路控制PWM信号的占空比给驱动电路，控制Buck电路输出目标阻抗，实现系统最大功率跟踪；所述控制模式切换函数如下式所示：

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