一种无线充电系统的自适应功率调节方法及系统与流程

本发明属于无线充电，尤其涉及一种无线充电系统的自适应功率调节方法及系统。

背景技术：

1、无线充电技术近年来在电动汽车、便携式电子设备、植入式医疗设备等领域得到了广泛应用。现有的无线充电系统功率调节方法主要分为以下几类：第一类是基于接收端反馈的闭环控制方法，接收端通过蓝牙、wi-fi或红外等独立通信链路将负载功率需求、电池荷电状态等信息发送至发射端，发射端据此调整逆变器的脉宽调制占空比或工作频率，以实现输出功率的调节。第二类是基于阻抗检测的负载自适应方法，发射端通过检测输入阻抗的幅值或相位变化，间接估算负载大小，进而调整发射功率。第三类是多发射线圈系统的功率分配方法，当存在多个发射线圈单元时，系统根据接收端的位置检测结果激活对应的线圈单元，并采用等比例分配或基于耦合系数的加权分配策略将总功率分配至各激活线圈。第四类是无线充电系统的热管理方法，通常在线圈或功率器件上设置温度传感器，当检测温度超过预设阈值时，系统执行降额输出或停机保护。

2、然而，上述现有技术仍存在以下不足：第一，补偿拓扑固定单一，系统无法根据工况变化动态选择最优拓扑结构，且拓扑切换与功率分配相互独立、分步执行，难以在宽负载范围内同时实现高效率与低热应力，制约了系统综合传输效率的进一步提升。第二，热管理采用被动响应式策略，仅能在温度超标后执行降额或停机，缺乏前瞻预测能力，无法在温升超标前主动调整功率分配以均衡热分布，导致系统使用寿命受限且存在过热风险。第三，接收端状态感知依赖蓝牙、wi-fi等独立通信链路，复杂电磁环境下易受干扰断连，且v2g双向能量交互场景下缺乏对电网调度需求的柔性响应机制，无法根据电网状态和车辆回馈意愿动态调整控制策略。第四，多接收端场景下功率协调分配困难，各接收端状态信息难以在同一框架下统一获取和处理，极端工况下系统缺乏可行的兜底保障机制，存在停机风险。第五，补偿拓扑切换与脉宽调制参数调整不同步，切换瞬间易产生功率中断和电压跌落，影响了系统运行的连续性和稳定性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种无线充电系统的自适应功率调节方法及系统，解决了现有技术中存在拓扑固定与功率分配分离导致效率受限、热管理被动滞后、依赖通信链路、缺乏v2g协同及极端工况无兜底机制、切换不同步引起功率中断的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种无线充电系统的自适应功率调节方法，所述无线充电系统包括由n个发射线圈单元组成的发射端矩阵和一个或多个接收端，n≥2，每个发射线圈单元配置有可重构补偿网络，所述可重构补偿网络包含至少两种可选补偿拓扑，所述方法包括以下步骤：

4、步骤一：获取各发射线圈单元的反射阻抗特性参数；

5、步骤二：从所述反射阻抗特性参数中提取各发射线圈单元与接收端之间的耦合系数、接收端的等效负载电阻以及接收端的特征参数；所述特征参数映射接收端的能量回馈意愿系数；

6、步骤三：采集各发射线圈单元的实时温度和环境温度；根据各发射线圈单元的实时温度、环境温度以及步骤二中获得的耦合系数和等效负载电阻，预测未来时间段内各发射线圈单元的温升，并根据预测的温升计算各发射线圈单元在所述时间段内的最大可持续承载功率；

7、步骤四：以各发射线圈单元的补偿拓扑选择变量和功率分配权重为优化变量，求解使系统综合效能泛函取得最优值的补偿拓扑选择变量和功率分配权重，同时获得各发射线圈单元的最优补偿拓扑选择变量和最优功率分配权重；所述功率分配权重之和等于1；所述系统综合效能泛函与系统综合传输效率正相关，且与各发射线圈单元的热风险惩罚项负相关，所述系统综合效能泛函中系统综合传输效率的权重和热风险惩罚项的权重根据所述能量回馈意愿系数的大小动态调整；

8、步骤五：根据步骤四的求解结果，控制各发射线圈单元的可重构补偿网络切换至所述最优补偿拓扑选择变量所对应的补偿拓扑，同时根据所述最优功率分配权重调整各发射线圈单元的输出功率；

9、步骤六：以预定时间间隔重复执行步骤一至步骤五。

10、优选的，步骤一中获取反射阻抗特性参数的方法为：向各发射线圈单元注入扫频信号，获取各发射线圈单元与接收端之间的反射阻抗复数谱；所述扫频信号的频率范围为预设谐振频率减去预设扫频带宽至预设谐振频率加上预设扫频带宽，所述预设扫频带宽为所述预设谐振频率的百分之十五至百分之二十五。

11、优选的，步骤二中从所述反射阻抗特性参数中提取耦合系数、等效负载电阻和特征参数的方法为：将反射阻抗复数谱与预设的等效电路模型的阻抗频率响应进行拟合，从拟合参数中分离得到耦合系数、等效负载电阻和特征参数；所述特征参数为反射阻抗复数谱中谐振频率相对于预设基准频率的偏移量。

12、优选的，所述可重构补偿网络包含的至少两种可选补偿拓扑包括lcc拓扑、clc拓扑和ss拓扑；所述可重构补偿网络由开关元件和多个补偿电容、补偿电感构成，通过控制开关元件的通断状态切换不同的补偿拓扑。

13、优选的，所述能量回馈意愿系数的取值范围为0至1，由接收端的电池管理系统根据电池荷电状态和电网调度指令计算生成；接收端通过对自身双向可控整流逆变单元进行开关调制，将包含所述能量回馈意愿系数的状态信息以低频频谱特征叠加至接收端的反射阻抗上。

14、优选的，所述能量回馈意愿系数增大时，所述系统综合传输效率的权重增大且所述热风险惩罚项的权重减小；所述能量回馈意愿系数减小时，所述系统综合传输效率的权重减小且所述热风险惩罚项的权重增大；步骤五中所述可重构补偿网络的切换与输出功率的调整在同一个脉宽调制周期起始时刻同步执行。

15、优选的，步骤四的求解过程中，当预测的任一发射线圈单元在所述时间段内的温升超过预设温度安全阈值时，该发射线圈单元的热风险惩罚项取值增大，使得该发射线圈单元的最优功率分配权重减小，同时其他发射线圈单元的最优功率分配权重相应增大。

16、优选的，步骤四中当不存在使系统综合效能泛函取得最优值的可行解时，将各发射线圈单元的补偿拓扑切换至预设的默认拓扑，并以各发射线圈单元的最大可持续承载功率为限进行等比例降额输出；步骤六中所述预定时间间隔为50毫秒至100毫秒。

17、优选的，当步骤三中采集的任一发射线圈单元的实时温度超过预设的硬件保护温度阈值时，将该发射线圈单元的可重构补偿网络切换为旁路模式，并将该发射线圈单元的功率分配权重设置为0，将移除的功率分配权重分配至其他发射线圈单元；所述旁路模式为该发射线圈单元与发射端矩阵电气断开的模式。

18、优选的，一种无线充电系统的自适应功率调节方法及系统，包括：

19、发射端矩阵，由n个发射线圈单元组成，n≥2，每个发射线圈单元包含可重构补偿网络，所述可重构补偿网络包含至少两种可选补偿拓扑；

20、接收端，包含双向可控整流逆变单元；

21、阻抗获取单元，用于获取各发射线圈单元的反射阻抗特性参数；

22、参数提取单元，用于从所述反射阻抗特性参数中提取各发射线圈单元与接收端之间的耦合系数、接收端的等效负载电阻以及接收端的特征参数；所述特征参数映射接收端的能量回馈意愿系数；

23、温度采集单元，用于采集各发射线圈单元的实时温度和环境温度；

24、热预测单元，用于根据各发射线圈单元的实时温度、环境温度以及所述耦合系数和等效负载电阻，预测未来时间段内各发射线圈单元的温升，并计算各发射线圈单元在所述时间段内的最大可持续承载功率；

25、优化决策单元，用于以各发射线圈单元的补偿拓扑选择变量和功率分配权重为优化变量，求解使系统综合效能泛函取得最优值的补偿拓扑选择变量和功率分配权重，同时获得各发射线圈单元的最优补偿拓扑选择变量和最优功率分配权重；

26、执行控制单元，用于根据所述最优补偿拓扑选择变量控制各发射线圈单元的可重构补偿网络切换至对应的补偿拓扑，并根据所述最优功率分配权重调整各发射线圈单元的输出功率。

27、本发明一种无线充电系统的自适应功率调节方法及系统的技术效果和优点：

28、1.本发明通过将补偿拓扑选择与功率分配作为同一优化泛函中的耦合变量同时求解，实现了离散拓扑变量与连续功率变量的联合优化，克服了传统方法中拓扑切换与功率调节相互独立、分步执行的缺陷，使系统在宽负载范围内均能保持最优效率匹配，显著提升了系统综合传输效率。

29、2.本发明通过建立电磁-热耦合瞬态模型，提前预测各发射线圈单元的未来温升趋势，并将热风险以惩罚函数形式直接嵌入系统综合效能泛函的求解过程，使功率分配决策具有前瞻性，实现了热管理的主动预测与超前干预，有效抑制了局部过热，延长了系统使用寿命。

30、3.本发明通过反射阻抗复数谱获取接收端能量回馈意愿系数，无需独立通信链路，避免了蓝牙、wi-fi等无线通信在复杂电磁环境下易受干扰、连接不稳定的问题，提高了系统在恶劣工况下的通信可靠性和整体鲁棒性。

31、4.本发明通过能量回馈意愿系数动态调整系统综合效能泛函中传输效率权重与热风险权重的相对大小，使无线充电系统能够根据电网调度需求和电动汽车电池状态，在充电模式与v2g馈电模式之间平滑切换，实现了对电网负荷的柔性支撑。

32、5.本发明通过将各发射线圈单元的热风险惩罚项纳入统一优化框架，使功率分配权重在滚动优化过程中根据各线圈的实时热状态自动调整，实现了功率从高热状态线圈向低热状态线圈的自发迁移，无需专门的迁移控制逻辑，简化了控制架构，增强了系统的自适应能力。

33、6.本发明通过设置无可行解检测与兜底处理机制，当优化问题因约束冲突而无可执行解时，自动切换至预设默认拓扑并以各线圈最大可持续承载功率为限进行等比例降额输出，保证了系统在极端工况下仍能持续供电，避免了因算法无解导致的停机故障。

34、7.本发明通过阻抗复数谱的多频点特征分离，能够同时识别多个接收端各自的状态信息（含各自独立的能量回馈意愿系数），并在同一优化框架下完成多接收端的功率协调分配，使系统具备一对多、多类型设备同时充电的能力。

35、8.本发明通过补偿拓扑切换与脉宽调制移相角调整在同一个脉宽调制周期起始时刻同步执行，消除了硬件切换与软件调节之间的时序偏差，避免了切换瞬间的功率中断和电压跌落，实现了系统运行状态的无缝过渡。