CN108321939A - 动态无线电能传输***及其预测控制方法 - Google Patents

动态无线电能传输***及其预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动态无线电能传输***及其预测控制方法，该动态无线电能传输***包括原边和副边，所述原件由若干个分段式能量发射装置组成，每套发射装置的能量发射设备包括一个逆变器、一个初级补偿网络和一个发射线圈；所述副边包括一套能量接收设备，能量接收设备包括一个能量接收线圈、一个次级补偿网络、一个整流电路、一个DC/DC电路和一个控制器；所述整流电路将能量发射装置传过来的高频交流电转换成直流电，控制器用于控制DC/DC电路从而控制***功率提升***效率，最后能量传输给负载。本发明预测控制方法，相对于传统的PID控制，能够提高***的跟随性，快速性，并且能够降低超调量，增加***的稳定性。

Description

动态无线电能传输***及其预测控制方法
技术领域
本发明涉及动态无线电能传输***，具体地指一种动态无线电能传输***及其预测控制方法。
背景技术
由于环境污染问题以及石油资源问题，电动汽车行业开始复苏。相对于燃油车，电动汽车具有零排放、降低噪声污染、汽车部件少、可靠性高等优势，其类型主要分为纯电动、燃料电池和混合动力型。由于电动汽车在私家车以及公共交通等领域的迅速应用，所涉及的电池充电技术成为电动汽车的重要基础支撑***，也是电动汽车产业化和商业化过程的重要环节。
在这种背景下，电动汽车电池充电技术得到非常迅速的发展。现阶段电动汽车的电池充电方式主要为接触式的充电方式，这样的充电方式便利性较差，并且还存在着一定的安全隐患。相比于传统的充电方法，无线充电方式可以解决传统传导式充电面临的接口限制、安全等问题，该技术将会逐渐发展成为电动汽车主要充电方式。根据电动汽车的行驶状态，无线充电技术主要有静态无线充电和动态无线充电两种形式。静态无线充电要求电动汽车处于静止状态，存在着固定充电地点和时间的限制。为了进一步解决电动汽车的电池容量和续航里程等问题，动态无线充电技术应运而生。
而传统的PID难以做到快速控制，跟随性较慢，所以为了克服这些缺点，采用预测控制，可以提高***的跟随性，快速性，增加***的稳定性。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有控制技术的不足而提供一种动态无线电能传输***及其预测控制方法，该预测控制方法能够提高***的快速性，稳定性和跟随性。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种动态无线电能传输***，该动态无线电能传输***包括原边和副边，所述原件由若干个分段式能量发射装置组成，每套发射装置的能量发射设备包括一个逆变器、一个初级补偿网络和一个发射线圈；所述副边包括一套能量接收设备，能量接收设备包括一个能量接收线圈、一个次级补偿网络、一个整流电路、一个DC/DC电路和一个控制器；所述整流电路将能量发射装置传过来的高频交流电转换成直流电，控制器用于控制DC/DC电路从而控制***功率提升***效率，最后能量传输给负载。
进一步地，所述DC/DC电路由BUCK电路组成，用于调节功率的作用，并且在汽车行驶过程中，保证最大的功率的传输。
进一步地，所述控制器由采样模块，预测控制器和带保护的IGBT驱动模块构成。
进一步地，所述DC/DC电路包括输入电流源、输入滤波电容、DC/DC变换器的IGBT、二极管、电感、电容和负载。
此外，本发明还提供一种上述动态无线电能传输***的预测控制方法，该方法包括：
根据道路上铺设的检测线圈，检测当前电动汽车的到来，以此时刻为零时刻，并将时间信息通过车联网发送到电动汽车上去，根据车速和与时间间隔，来判断汽车相对于能量发射端线圈的位置，从而确定耦合因子大小，而耦合因子会影响DC/DC电路的输入电流iin，从而推导出输入电流iin大小，将输入电流iin分成三个区间，在三个区间内分别取均值，在采样时刻的到来，判断输入电流iin的大小，对其建立分段预测方程，构造有约束条件的价值函数，计算出最优的占空比，作用于***，完成一步预测控制，在下一时刻采样时，重复上述步骤。
附图说明
图1是本发明动态无线电能传输***的拓扑结构图。
图2是图1中动态无线电能传输***的副边DC/DC变换器拓扑结构。
图3是本发明动态无线电能传输***的预测控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，动态无线电能传输***的原边由若干个分段式能量发射装置组成。一套发射端的能量发射设备由一个逆变器、一个初级补偿网络、一个发射线圈组成。一套能量接收设备由一个能量接收线圈、一个次级补偿网络、一个整流电路、一个DC/DC电路和一个控制器合构成。整流电路将谐振电路传过来的高频交流电转换成直流电，控制模块用于控制DC/DC电路从而控制***功率提升***效率，最后能量传输给负载。
如图2所示，对副边的DC/DC电路进行数学建模，并考虑前级的滤波电容，在开关管开通和关断的时间段，分别建立数学模型。选择为***的状态变量。在开关管导通时，状态方程如公式(1)所示：
在开关管关断时，状态方程如公式(2)所示：
离散状态方程为：
d为IGBT的占空比。将占空比引入到状态方程里，可以得到平均状态方程：
DC/DC数学模型存在非线性量x(k)d特点，将其线性化，生成一个线性的分段仿射***：
x(k+1)＝Aix(k)+Bid+Fi,di≤d≤di+1,i＝1…n (5)线性化的过程如下：
把占空比d从0-1划分为i+1个区域，按照公式(6)做近似化处理：
将式(6)带入分段仿射***公式(5)中，可以得到式(7)：
再将式(7)带入分段仿射***公式(5)中，可以得到式(8)：
在稳定的工作状态下，占空比区间边界的di是不连续的，这会引起震荡。为了解决这个问题，保留Ai，同时对平均模型施加连续的约束。
求出平均模型在占空比di和di+1时的稳态工作点(I3为三维单位矩阵)：
再通过分段仿射***的式(5)求出在占空比di和di+1时的状态：
联立(9)和(10)：
可以推导出：
其中
确定了Ai，Bi和Fi之后，可以得到公式(13)。
x(k+1)＝Ax(k)+Bd(k)+F
yc(k)＝Ccx(k) (13)
yb(k)＝Cbx(k)
上式中，x(k)是状态量；d(k)是控制输入量；yc(k)是被控输出量；yb(k)是约束输出量；A，B，F，Cc和Cb是相应的系数矩阵。iL为***的被控输出量，uC1为***的约束输出量。并且iin会影响Cc和Cb的大小。
根据道路上铺设的检测线圈，可以检测当前电动汽车的到来，以此时刻为零时刻，并将时间信息通过车联网发送到电动汽车上去，由于通信存在延时，汽车经过线圈的时间应加上这个通信延时，认为车速在一段时间内是恒定的，则可以根据车速和与时间间隔，来判断汽车相对于能量发射端线圈的位置，可以推导出耦合因子的变化趋势。而耦合因子会影响DC/DC变换器的输入电流iin。从而可以得知iin的大小，进行分段预测控制。
预测控制流程如图3所示，根据线性化处理的模型初始化***的系数矩阵，通过检测线圈检测车辆到来正对线圈的零时刻点，认为车速在一段时间内保持不变，从而通过时间和速度确定接收线圈相对于发射线圈的偏移位置，确定耦合因子，进而推导输入电流iin。把输入电流iin分成三个区间，在三个区间内分别取均值，在采样时刻的到来，判断输入电流iin的大小，对其建立分段预测方程，构造有约束条件的价值函数，计算出最优的占空比，作用于***，完成一步预测控制，在下一时刻采样时，重复上述步骤。

Claims (8)

1.一种动态无线电能传输***，其特征在于：动态无线电能传输***包括原边和副边，所述原件由若干个分段式能量发射装置组成，每套发射装置的能量发射设备包括一个逆变器、一个初级补偿网络和一个发射线圈；所述副边包括一套能量接收设备，能量接收设备包括一个能量接收线圈、一个次级补偿网络、一个整流电路、一个DC/DC电路和一个控制器；所述整流电路将能量发射装置传过来的高频交流电转换成直流电，控制器用于控制DC/DC电路从而控制***功率提升***效率，最后能量传输给负载。
2.根据权利要求1所述一种动态无线电能传输***，其特征在于，所述逆变模块由MOSFET管组成，其作用是将直流电转换成高频交流电，通过合理的参数配置，使得其输出阻抗成感性，保证零电压开关的实现，从而减小能量损耗。
3.根据权利要求1所述一种动态无线电能传输***，其特征在于，所述能量发射装置的LCC补偿电路包括谐振电感Lf1，并联谐振电容Cf1和串联补偿电容Cp1；与之对应，能量接收端LCC补偿电路包括谐振电感Lf2，并联谐振电容Cf2和串联补偿电容Cp2。
4.根据权利要求1所述动态无线电能传输***，其特征在于：所述DC/DC电路由BUCK电路组成，用于调节功率的作用，并且在汽车行驶过程中，保证最大的功率的传输。
5.根据权利要求1所述动态无线电能传输***，其特征在于：所述控制器由采样模块，预测控制器和带保护的IGBT驱动模块构成。
6.根据权利要求4所述动态无线电能传输***，其特征在于：所述DC/DC电路包括输入电流源、输入滤波电容、DC/DC变换器的IGBT、二极管、电感、电容和负载。
7.一种权利要求1所述动态无线电能传输***的预测控制方法，其特征在于：根据道路上铺设的检测线圈，检测当前电动汽车的到来，以此时刻为零时刻，并将时间信息通过车联网发送到电动汽车上去，根据车速和与时间间隔，来判断汽车相对于能量发射端线圈的位置，从而确定耦合因子大小，而耦合因子会影响DC/DC电路的输入电流iin，从而推导出输入电流iin大小，将输入电流iin分成三个区间，在三个区间内分别取均值，在采样时刻的到来，判断输入电流iin的大小，对其建立分段预测方程，构造有约束条件的价值函数，计算出最优的占空比，作用于***，完成一步预测控制，在下一时刻采样时，重复上述步骤。
8.根据权利要求7所述动态无线电能传输***的预测控制方法，其特征在于所述构造有约束条件的价值函数包括：
对副边的DC/DC电路进行数学建模，并考虑前级的滤波电容，在开关管开通和关断的时间段，分别建立数学模型；
选择为***的状态变量，iin、uC1、iL和uC2分别表示输入电流、输入滤波电容上的电压、DC/DC电路的电感电流和电容电压；
在开关管导通时，状态方程如公式(1)所示：
在开关管关断时，状态方程如公式(2)所示：
离散状态方程为：
d为IGBT的占空比，将占空比引入到状态方程里，得到平均状态方程：
DC/DC数学模型存在非线性量x(k)d特点，将其线性化，生成一个线性的分段仿射***：
x(k+1)＝Aix(k)+Bid+Fi,di≤d≤di+1,i＝1…n (5)
线性化的过程如下：
将占空比d从0-1划分为i+1个区域，按照公式(6)做近似化处理：
将式(6)带入分段仿射***公式(5)中，得到式(7)：
再将式(7)带入分段仿射***公式(5)中，得到式(8)：
求出平均模型在占空比di和di+1时的稳态工作点，I3为三维单位矩阵：
再通过分段仿射***的式(5)求出在占空比di和di+1时的状态：
联立(9)和(10)：
推导出：
其中，
确定了Ai，Bi和Fi之后，得到公式(13)。
上式中，x(k)是状态量；d(k)是控制输入量；yc(k)是被控输出量；yb(k)是约束输出量；A，B，F，Cc和Cb是相应的系数矩阵，iL为***的被控输出量，uC1为***的约束输出量，iL和uC1表示DC/DC电路的电感电流和输入滤波电容上的电压。
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