CN110228378B - 一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法 - Google Patents

一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，通过内谐振电流环路控制电动汽车无线充电***的一次侧谐振电流有效值，通过充电电压/充电电流环路控制电动汽车无线充电***的二次侧电池的充电电压/充电电流，通过等效交流阻抗匹配环路控制电动汽车无线充电***中二次侧整流器的等效交流电阻，该方法能够使得电动汽车的无线充电***运行于期望的工作状态，保证***工作于安全区间内，实现较低的线圈损耗，并且成本较低。

Description

一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法
技术领域
本发明涉及一种双侧多环控制方法，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法。
背景技术
无线充电技术是一种安全便捷的电能传输方式，具有使用灵活方便、少维护、可适应恶劣环境、易于实现无人自动供电和移动式供电的优点。基于近场耦合的无线充电技术能够较好地满足距离、效率、功率和安全等方面的需求，在电动车、消费电子、传感器和植入设备等领域具有广阔的应用前景。随着电动汽车逐渐普及，电动汽车的无线充电成为一种非常具有优势的充电方式。然而，在对电动汽车的无线充电进行控制时，有以下几个需求：
1)稳定的充电电压和充电电流。无线充电***作为一种电源，需向电动汽车电池提供稳定的充电电压和充电电流。
2)有效的保护机制。基于串联-串联谐振式无线充电***工作于谐振频率附近时表现为电流源，在负载开路时将产生很高的输出电压与较大的谐振电流，因此需要有效的保护机制确保***安全可靠运行。
3)最小化线圈损耗。用于电动汽车无线充电的线圈需要埋在地下，其散热问题较难解决。而线圈的损耗随着电池的充电过程不断变化，因此需要在电池的整个充电过程中，对线圈的损耗进行优化控制。常见的方法是，在电池的等效电阻发生变化时，通过对变换器的控制，使得变换器的等效交流阻抗尽可能接近谐振网络最优阻抗值，以降低线圈损耗，从根本上解决线圈散热问题。
4)较强的抗干扰性能。在实际使用中，当负载或者控制目标发生变化时，控制***需自动地调节控制变量，实现对扰动的抑制和对指令的跟踪。
5)较少的变换器个数，在实现电动汽车无线充电时，尽可能减少变换器的个数，降低装置的成本，提高无线充电***效率和功率密度，这对于电动汽车无线充电技术的大规模应用至关重要。
在实际的无线充电***中，传输距离和负载会发生随机变化；电动汽车电池的充电电压和充电电流也会随着电池状态不断地改变，尤其是电动汽车电池等效直流电阻的变化，会对***性能和线圈损耗有较大影响，从而需要对控制变量实时调节。
综上所述，需要提出一种能够满足以上五个需求的电动汽车无线充电***的控制方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，该方法能够使得电动汽车的无线充电***运行于期望的工作状态，保证***工作于安全区间内，实现较低的线圈损耗，并且成本较低。
为达到上述目的，本发明所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，包括：通过内谐振电流环路控制电动汽车无线充电***的一次侧谐振电流有效值，通过充电电压/充电电流环路控制电动汽车无线充电***的二次侧电池的充电电压/充电电流，通过等效交流阻抗匹配环路控制电动汽车无线充电***中二次侧整流器的等效交流电阻，具体包括以下步骤：
内谐振电流环路通过一次侧电流有效值检测电路检测一次侧谐振电流的有效值，再将一次侧谐振电流的有效值与充电电压/充电电流环路的PID调节器输出信号进行比较，得第一误差信号，然后将第一误差信号输入到一次侧谐振电流内环的PID调节器中，并将一次侧谐振电流内环的PID调节器的输出结果进行限幅后作为一次侧逆变器的移相占空比Dp，然后根据一次侧逆变器的移相占空比Dp实时调节一次侧谐振电流有效值；
充电电压/充电电流环路通过无线通信模块采集二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息，然后将二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息发送至一次侧逆变器的控制器中，一次侧逆变器的控制器将二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息与预设充电电压/充电电流参考值进行比较，得二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号，然后将二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号分别输入到充电电压PID调节器及充电电流PID调节器，并选择二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号对应的输出信号中较小的进行限幅后作为一次侧谐振电流环的指令，然后根据一次侧谐振电流环的指令控制二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流；
等效交流阻抗匹配环路采集二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流，并根据二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流计算二次侧整流器的等效直流电阻，然后根据二次侧整流器的等效直流电阻和当前二次侧整流器的移相占空比Ds计算当前二次侧整流器的等效交流电阻REfb，然后将当前二次侧整流器的等效交流电阻REfb与谐振网络的最优电阻REref进行比较，得第三误差信号，然后将第三误差信号输入到PID调节器，并将PID调节器的输出结果作为下一时刻二次侧整流器的移相占空比Ds，再利用下一时刻二次侧整流器的移相占空比Ds实时控制二次侧整流器的等效交流电阻，使得谐振网络损耗最小化。
二次侧整流器的等效交流电阻REfb为：
Figure GDA0002588357880000041
谐振网络的最优电阻REref为：
Figure GDA0002588357880000042
其中，R1及R2分别为一次侧谐振线圈的等效串联电阻值及二次侧谐振线圈的等效串联电阻值，ωs为逆变器的工作频率，M为一次侧线圈与二次侧线圈的耦合互感值。
内谐振电流环路、充电电压/充电电流环路及等效交流阻抗匹配环路的优先级依次降低。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法在具体操作时，通过内谐振电流环路控制电动汽车无线充电***的一次侧谐振电流有效值，使得电动汽车的无线充电***运行于期望的工作状态，保证***工作于安全区间内；通过充电电压/充电电流环路控制电动汽车无线充电***的二次侧的充电电压/充电电流，通过等效交流阻抗匹配环路控制电动汽车无线充电***中二次侧整流器的等效交流电阻，实现较低的线圈损耗，使得谐振网络损耗最小化，并且成本较低，以降低谐振网络的发热量，提高无线充电***的安全性。
附图说明
图1为本发明中串联/串联谐振的无线充电***的结构图；
图2为本发明的结构框图；
图3a为用于电动汽车恒流充电且整流器实现阻抗匹配的工作波形图；
图3b为用于电动汽车恒压充电且整流器实现阻抗匹配的工作波形图；
图4a为电动汽车电池的等效直流电阻突增时***的动态响应波形图；
图4b为电动汽车电池的等效直流电阻突减时***的动态响应波形图；
图5a为电动汽车整流器等效交流电阻突增时***的动态响应波形图；
图5b为电动汽车整流器等效交流电阻突减时***的动态响应波形图；
图6a为电动汽车电池全范围充电电压和电流随电动汽车电池的等效直流电阻变化曲线图；
图6b为电动汽车电池全范围充电功率和效率随电动汽车电池的等效直流电阻变化曲线图；
图7为采用传统变频移相控制方法(VFPSC)与本发明(DPSC)后，谐振网络损耗对比结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，通过内谐振电流环路控制电动汽车无线充电***的一次侧谐振电流有效值，通过充电电压/充电电流环路控制电动汽车无线充电***的二次侧电池的充电电压/充电电流，通过等效交流阻抗匹配环路控制电动汽车无线充电***中二次侧整流器的等效交流电阻，其中，内谐振电流环路、充电电压/充电电流环路及等效交流阻抗匹配环路的优先级依次降低，具体包括以下步骤：
内谐振电流环路通过一次侧电流有效值检测电路检测一次侧谐振电流的有效值，再将一次侧谐振电流的有效值与充电电压/充电电流环路的PID调节器输出信号进行比较，得第一误差信号，然后将第一误差信号输入到一次侧谐振电流内环的PID调节器中，并将一次侧谐振电流内环的PID调节器的输出结果进行限幅后作为一次侧逆变器的移相占空比Dp，然后根据一次侧逆变器的移相占空比Dp实时调节一次侧谐振电流有效值；
充电电压/充电电流环路通过无线通信模块采集二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息，然后将二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息发送至一次侧逆变器的控制器中，一次侧逆变器的控制器将二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息与预设充电电压/充电电流参考值进行比较，得二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号，然后将二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号分别输入到充电电压PID调节器及充电电流PID调节器，并选择二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号对应的输出信号中较小的进行限幅后作为一次侧谐振电流环的指令，然后根据一次侧谐振电流环的指令控制二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流；
等效交流阻抗匹配环路采集二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流，并根据二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流计算二次侧整流器的等效直流电阻，然后根据二次侧整流器的等效直流电阻和当前二次侧整流器的移相占空比Ds计算当前二次侧整流器的等效交流电阻REfb，然后将当前二次侧整流器的等效交流电阻REfb与谐振网络的最优电阻REref进行比较，得第三误差信号，然后将第三误差信号输入到PID调节器，并将PID调节器的输出结果作为下一时刻二次侧整流器的移相占空比Ds，再利用下一时刻二次侧整流器的移相占空比Ds实时控制二次侧整流器的等效交流电阻，使得谐振网络损耗最小化。
其中，二次侧整流器的等效交流电阻REfb为：
Figure GDA0002588357880000071
谐振网络的最优电阻REref为：
Figure GDA0002588357880000081
其中，R1及R2分别为一次侧谐振线圈的等效串联电阻值及二次侧谐振线圈的等效串联电阻值，ωs为逆变器的工作频率，M为一次侧线圈与二次侧线圈的耦合互感值。
实施例一
参见图1，以500W小功率无线充电平台为例，一次侧逆变器的直流侧电压为80V，逆变器采用移相控制，将直流电压逆变为高频交流方波电压，以驱动发射侧谐振网络，从而产生高频电磁场，接收侧线圈感应出高频电磁场并产生高频交流电压，经过整流器与电容滤波后，对电动汽车电池进行充电，并利用图2所述的控制方法进行控制。
为说明本发明的有效性，采用表1的参数对电动汽车无线充电***进行实验验证。
表1
Figure GDA0002588357880000082
采用本发明根据表1中的电路参数，通过式(2)计算获得谐振网络的最优等效交流电阻为12.05Ω。因此，图2中的阻抗匹配控制环路中的参考输入值REref为12.05Ω。在耦合系数k＝0.2的情况下，当***工作于恒流模式时，设定充电电流为4A，负载电阻18Ω，此时的稳态工作波形参见图3a；当***工作于恒压模式时，设定充电电压为72V，负载电阻40Ω，此时的稳态工作波形参见图3b。从图3a及图3b中可以发现，采用本发明可以同时实现交流阻抗匹配和恒压充电/恒流充电，因此证明了本发明的有效性。
采用本发明所述的双侧多环控制方法，同样设置阻抗匹配控制环路中的参考输入值REref为12.05Ω，恒压充电电压为72V；在恒压充电模式下，电动汽车充电电池的等效直流电阻从18Ω突增至23Ω的动态波形参见图4a，电动汽车充电电池的等效直流电阻从23Ω突减至18Ω的动态波形参见图4b，从实验结果可以看出，二者的调节时间分别为140ms及110ms，实现了***快速的动态响应，且一次侧电流幅值未有较大超调，保证了***安全可靠运行。
采用本发明所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，设置恒压充电电压为72V，负载电阻为40Ω。在恒压充电模式下，阻抗匹配控制环路中的参考输入值REref从12Ω突增至15Ω的动态波形参见图5a，阻抗匹配控制环路中的参考输入值REref从15Ω突增至12Ω的动态波形参见图5b。从实验结果可以看出，二者的调节时间分别为120ms和130ms，同样实现了***快速的动态响应，且一次侧电流幅值未有较大超调，保证了***安全可靠运行。
采用本发明所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，电动汽车充电电压/充电电流随电动汽车电池的等效直流电阻变化关系参见图6a；电动汽车的充电功率和充电效率随电动汽车电池的等效直流电阻变化关系参见图6b。
在同样的参数情况下，采用传统的变频移相(VFPSC)控制和本发明(DPSC)时，对应的谐振网络损耗占比随电动汽车电池的等效直流电阻变化关系参见图7。从实验结果可以看出，采用本发明不仅实现了电动汽车的恒压/恒流充电，而且实现了充电过程中的最小化谐振网络损耗，从而极大地降低了谐振网络的发热量，保证了***的安全可靠运行。
综上所述，采用本发明后，实现了电动汽车无线充电***的限流保护、电动汽车电池的恒压充电/恒流充电及等效交流阻抗匹配的控制，具体表现为：1)采用一次侧谐振电流内环不仅可以实现限流保护，同时也提高了***的动态响应性能；2)充电电压/充电电流环路确保了电动汽车充电电压/充电电流的稳定；3)等效交流阻抗匹配环路可以调节整流器的等效交流电阻，实现交流阻抗匹配阻抗，极大地降低了谐振网络的损耗，并且提高了***的稳定性和可靠性；4)在电动汽车处于恒压充电/恒流充电模式下，改变电动汽车电池的等效直流电阻时，控制***快速调节控制变量，实现对充电电压/充电电流指令的快速跟踪，这证明了***的快速动态响应和抗干扰特性；5)采用图1所述的主电路与图2所述的控制结构相结合的电动汽车无线充电***，极大地简化了控制***，降低了***的制造成本，降低了谐振网络损耗，且提高了***的无线充电效率。

Claims (4)

1.一种用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，其特征在于，通过内谐振电流环路控制电动汽车无线充电***的一次侧谐振电流有效值，通过充电电压/充电电流环路控制电动汽车无线充电***的二次侧电池的充电电压/充电电流，通过等效交流阻抗匹配环路控制电动汽车无线充电***中二次侧整流器的等效交流电阻，具体包括以下步骤：
内谐振电流环路通过一次侧电流有效值检测电路检测一次侧谐振电流的有效值，再将一次侧谐振电流的有效值与充电电压/充电电流环路的PID调节器输出信号进行比较，得第一误差信号，然后将第一误差信号输入到一次侧谐振电流内环的PID调节器中，并将一次侧谐振电流内环的PID调节器的输出结果进行限幅后作为一次侧逆变器的移相占空比Dp，然后根据一次侧逆变器的移相占空比Dp实时调节一次侧谐振电流有效值；
充电电压/充电电流环路通过无线通信模块采集二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息，然后将二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息发送至一次侧逆变器的控制器中，一次侧逆变器的控制器将二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流信息与预设充电电压/充电电流参考值进行比较，得二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号，然后将二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号分别输入到充电电压PID调节器及充电电流PID调节器，并选择二次侧充电电压的第二误差信号及二次侧充电电流的第二误差信号对应的输出信号中较小的进行限幅后作为一次侧谐振电流环的指令，然后根据一次侧谐振电流环的指令控制二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流；
等效交流阻抗匹配环路采集二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流，并根据二次侧电动汽车电池的充电电压/充电电流计算二次侧整流器的等效直流电阻，然后根据二次侧整流器的等效直流电阻和当前二次侧整流器的移相占空比Ds计算当前二次侧整流器的等效交流电阻REfb，然后将当前二次侧整流器的等效交流电阻REfb与谐振网络的最优电阻REref进行比较，得第三误差信号，然后将第三误差信号输入到PID调节器，并将PID调节器的输出结果作为下一时刻二次侧整流器的移相占空比Ds，再利用下一时刻二次侧整流器的移相占空比Ds实时控制二次侧整流器的等效交流电阻，使得谐振网络损耗最小化。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，其特征在于，二次侧整流器的等效交流电阻REfb为：
Figure FDA0002588357870000021
其中，RL为电池的等效直流电阻。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，其特征在于，谐振网络的最优电阻REref为：
Figure FDA0002588357870000022
其中，R1及R2分别为一次侧谐振线圈的等效串联电阻值及二次侧谐振线圈的等效串联电阻值，ωs为逆变器的工作频率，M为一次侧线圈与二次侧线圈的耦合互感值。
4.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的双侧多环控制方法，其特征在于，内谐振电流环路、充电电压/充电电流环路及等效交流阻抗匹配环路的优先级依次降低。
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