CN108683229B - 一种电动汽车无线充电副边输出控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,包括通过导线连接的无线充电拓扑电路单元和控制电路单元。本发明在Buck‑Boost变换器的基础上,根据变换器的电感电流IL、电容电压Uo、输入电压Uin确定系统的状态方程,利用状态偏差选取合适的滑模面,建立滑模观测器的控制函数,使得不论处于何种状态,都能按照制定的趋近率达到滑模面,并保持稳定运行。本发明控制方法应用于电动汽车无线充电系统,提高了副边输出的稳定性,加快了动态响应速度,减小了系统参数动态变化时对负载侧输出的影响,增强了电动汽车无线充电的鲁棒性,有很好的实用价值。

Description

一种电动汽车无线充电副边输出控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于无线充电技术领域,具体涉及一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,本发明还涉及一种电动汽车无线充电副边输出控制方法。
背景技术
无线充电技术作为当前研究热点具有很大的发展前景,如今发展电动汽车已经是节约能源、保护环境和低碳低排的需要,而电动汽车的无线充电的发展则是重要的环节,也会在未来为人们生活带来更多便利。
影响无线电能传输系统性能有:传输距离、传输功率和效率、互感、频率、负载等参数;而影响传输功率与效率的主要因素有传输线圈结构、谐振网络及系统特性、电力电子变换器及其控制方法、线圈偏移以及电磁兼容等。相比而言,无线电能传输技术具有以下优势:全绝缘,全密封,可避免髙压触电、短路以及漏电危险;无积尘和接触损耗、无机械磨损以及相应的维护问题,可适应于多种恶劣天气;有利于接口标准化,便于实现无人自动充电和移动式充电;减轻车体重量,提高能量的有效利用率。
无线电能传输的技术主要可从以下三点进行分类:微波无线充电、电磁感应式无线充电、电磁共振式无线充电;如考虑传输效率、功率、频率、传输距离等问题,电磁感应式无线充电更适合电动汽车无线充电。无线充电目前研究的热点有松耦合变压器优化设计、电路拓扑及参数优化设计分析、充电控制策略研究、电磁兼容及线圈空间偏移等。目前,无线充电的电路拓扑常用的有串-串补偿(S-S)、串-并补偿(S-P)、并-串补偿(P-S)、并-并补偿(P-P),以及在此基础上的提出的复合补偿S-SP、LCL-S等。S-S、S-P、P-S、P-P、S-LCC、LCL-S六种补偿电路在相应的谐振补偿条件下可实现在等效负载不固定时实现恒流/恒压输出。S-S、S-LCC、LCL-S补偿恒压输出只与谐振网络输入基波分量、松耦合变压器原副边线圈匝比有关,不同等效负载下的增益交点处原边等效阻抗相角为零,且具有增益交点值恒定不受松耦合变压器耦合系数影响的优点。
电动汽车无线充电目前采用的控制策略有:频率控制,通过控制改变电路变换器工作频率,使得电路在两种不同频率下实现恒流恒压输出;拓扑切换,提出无线充电电路变换器工作频率固定,通过切换恒流拓扑与恒压拓扑,达到电路恒流恒压输出,实现蓄电池恒流恒压充电;相位控制,通过调节原边逆变器开关管的导通角实现最大功率与效率的传输;无线电能传输副边电路加入DC/DC斩波控制环节,通过控制DC/DC斩波电路,实现稳压输出。在副边使用DC/DC斩波控制环节的无线电能传输电路,常采用的控制策略为PI控制,但在电路参数变化时采用PI控制电路瞬态变化过大;采用滑模控制,具有很好的动、静态特性和鲁棒性,在系统电路参数变化时可保持稳定输出。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,解决了现有电动汽车无线充电中负载扰动、松耦合变压器输出扰动时不能实现功率恒定输出的问题。
本发明的第二个目的是提供一种电动汽车无线充电副边输出控制方法。
本发明所采用的技术方案是,一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,包括通过导线连接的无线充电拓扑电路单元和控制电路单元;
无线充电拓扑电路单元包括埋在地下的非接触变压器原边和装载电动汽车车体上的变压器副边,变压器原边通过磁耦合向变压器副边传递能量;
控制电路单元包括电流变化量计算模块和电压变化量计算模块;电压变化量计算模块的输出端依次连接电压控制函数模块和电压电流转换模块;电流变化量计算模块的输出端依次连接电流控制函数模块、比较判断模块和PWM脉冲发生器;
PWM脉冲发生器通过电流增益函数模块调控电流变化量计算模块;PWM脉冲发生器通过电压增益函数模块调控电压变化量计算模块。
本发明的特征在于,
变压器原边的电路结构为:包括原边整流模块,原边整流模块通过导线依次连接滤波电容Cf1和逆变模块,逆变模块还通过导线依次连接松耦合变压器原边补偿电容C1和松耦合变压器原边电感LP
原边整流模块由四个二极管组成,具体的二极管D1、二极管D4组成正半周回路,二极管D2、二极管D3组成负半周回路;
逆变模块由四个MOS管组成,具体的MOS管S1、MOS管S4组成正半周回路,MOS管S2、MOS管S3组成负半周回路。
变压器副边的电路结构为:包括松耦合变压器副边电感LS,松耦合变压器副边电感LS通过导线依次连接副边补偿电容、副边整流模块、滤波电感和Buck-Boost变换器;
松耦合变压器原边电感LP通过磁耦合与松耦合变压器副边电感LS连接。
副边补偿电容包括通过导线依次连接的副边补偿电容C2和C3
副边整流模块由四个二极管组成,具体的二极管D5、二极管D8组成正半周回路,二极管D6、二极管D7组成负半周回路。
Buck-Boost变换器的具体电路结构为:包括Buck-Boost开关管,Buck-Boost开关管通过导线依次连接相互并联的电感L1和二极管a以及稳压电容C4
Buck-Boost变换器输入端通过Buck-Boost开关管接通副边整流模块,Buck-Boost变换器输出端与等效输出阻抗RL连接;
Buck-Boost开关管连接PWM脉冲发生器。
本发明所采用的另一种技术方案是,一种电动汽车无线充电副边输出控制方法,包括以下步骤:
步骤1,利用松耦合变压器的补偿拓扑实现在谐振频率点处对电动汽车无线充电副边Buck-Boost变换器恒压输入,根据电路参数的变化调节Buck-Boost变换器的占空比,从而调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率;
步骤2,根据电动汽车充电电流与充电电压的要求,利用松耦合变压器输出电流和输出电压,Buck-Boost变换器的输入电压Uin、电感电流IL计算出电流控制函数模块和电压控制函数模块中滑模观测器的控制函数;
步骤3,当控制系统处于稳定传输时,由步骤1可知,在恒流充电阶段,等效输出阻抗RL发生变化时,buck-boost变换器的输出电流Io与输出电流Uo也会发生变化,对应的电感电流IL与电容电压Uo也会发生改变,此时步骤2中滑模观测器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值,调节输出电流恒定;在恒压充电阶段,与恒流阶段相同,电压滑模控制器的控制函数会根据变化的参数与给定电压输出电压控制对应的函数值,调节输出电压恒定;
当松耦合变压器传输不稳定时,即松耦合变压器原、副边线圈相对位置变化时,耦合系数k值改变,Buck-Boost变换器的输入电压电流相应发生变化,在恒流充电阶段,当控制系统的耦合系数变化时,步骤2中的电流滑模控制器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值,输出的控制函数值与比较判断模块确定Buck-Boost变换器的占空比,随后根据步骤1调节输出电流恒定;在恒压充电阶段,输出的控制函数值与比较判断模块确定Buck-Boost变换器的占空比,随后根据步骤1调节输出电压恒定。
本发明的特征还在于,
步骤1的具体步骤为:
步骤1.1,根据电动汽车无线充电副边输出控制系统,得到Buck-Boost变换器的输入电流和输入电压,即相当于松耦合变压器输出电流Iin和输出电压Uin,如公式(1)和(2):
Figure BDA0001680577780000051
Figure BDA0001680577780000052
公式(1)和(2)中,参数ω为谐振频率,参数k为松耦合变压器耦合系数,参数LP为松耦合变压器原边电感,参数LS为松耦合变压器副边电感,参数UAB为补偿拓扑输入电压,参数Re为松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗,
参数A=(Re(Rp+RpRs-Re 2(RpRs)),
参数
Figure BDA0001680577780000053
其中,参数Rp为原边线圈等效内阻,参数Rs为副边线圈等效内阻;参数C3为副边补偿电容C3
步骤1.2,根据步骤1.1得到松耦合变压器参数Iin和Uin,计算得到松耦合变压器的输出功率Pout与传输效率ηout,分别为公式(3)和(4):
Figure BDA0001680577780000061
Figure BDA0001680577780000062
公式(3)和(4)中,
参数C=[Rp(Rs+E)-(ωLp-1/ωC1)(ωLS-EωC2Re)+ω2k2LPLS],
参数D=[Rp(ωLS-1/ωC2-EωC2Re)+(ωLp-1/ωC1)(Rs+E)],
参数E=Re/(1+ω2C3 2Re 2);
其中,参数C1为松耦合变压器原边补偿电容C1,参数C2为副边补偿电容C2
步骤1.3,由步骤1.2得到,Buck-Boost变换器的等效输出阻抗RL与松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗Re的关系表达式为公式(5):
Figure BDA0001680577780000063
其中,参数Rin为Buck-Boost变换器的等效输入阻抗;
步骤1.4,将步骤1.3中的等效输出阻抗RL替换为Re分别带入公式(1)、(2)、(3)和(4)中,即可得到通过调节Buck-Boost变换器占空比、实现调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率。
步骤2具体为:
步骤2.1,Buck-Boost变换器中电路开关的状态方程为公式(6):
Figure BDA0001680577780000071
其中,L1为Buck-Boost变换器的电感值,Uo为Buck-Boost变换器电容电压,C4为Buck-Boost变换器的稳压电容值,x1,x2为状态变量且[x1,x2]=[iL,Uo],参数uo为输出电压瞬态值;
由上可知,Buck-Boost变换器的电路状态方程为:
Figure BDA0001680577780000072
其中
Figure BDA0001680577780000073
其中,u为Buck-Boost开关管的控制变量且取值为0或1;
将公式(7)化简为:
Figure BDA0001680577780000074
其中,y为输出变量,h(X)为输出函数;
对公式(8)进行验证可得:
Figure BDA0001680577780000075
由公式(9)可证得在x≠0处,[g(x)Lfg(x)]的秩为2,实现精确反馈线性化;
步骤2.2,根据步骤2.1建立的X,y坐标系,进行坐标变换可得:
Figure BDA0001680577780000081
其中,参数z1和参数z2均为变换坐标后的状态变量;
经坐标变换后,原非线性系统可表示为:
Figure BDA0001680577780000082
公式(11)中新控制量v与原Buck-Boost开关管控制变量u的关系为:
Figure BDA0001680577780000083
步骤2.3,在步骤2.2坐标变换后的基础上,选取偏差:
Figure BDA0001680577780000084
Figure BDA0001680577780000085
其中,参数e1、e2为偏差变量,参数z1ref为状态变量Z1稳态时的数值,参数z2ref为状态变量Z2稳态时的数值
令电流控制函数模块和电压控制函数模块中滑模控制器的滑模面为:
Figure BDA0001680577780000086
其中,参数ILref为电感电流给定值,参数Uoref为输出电压给定值,c1为滑模面参数,
选取公式(14)中指数趋近律做切换控制:
Figure BDA0001680577780000087
其中,参数s为线性切换函数,参数e为趋近律参数,参数k为趋近律指数项参数;
Figure BDA0001680577780000094
求得等效控制veq与新控制函数v分别为:
Figure BDA0001680577780000091
Figure BDA0001680577780000092
则Buck-Boost模式下滑模控制器的控制函数为:
Figure BDA0001680577780000093
本发明的有益效果是:本发明在Buck-Boost变换器的基础上,根据变换器的电感电流IL、电容电压Uo、输入电压Uin确定系统的状态方程,利用状态偏差选取合适的滑模面,建立滑模观测器的控制函数,使得不论处于何种状态,都能按照制定的趋近率达到滑模面,并保持稳定运行。本发明控制方法应用于电动汽车无线充电系统,提高了副边输出的稳定性,加快了动态响应速度,减小了系统参数动态变化时对负载侧输出的影响,增强了电动汽车无线充电的鲁棒性,有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明一种电动汽车无线充电副边输出控制系统的电路结构图;
图2是本发明控制系统中控制电路单元的流程图;
图3是本发明控制系统中松耦合变压器的电路结构示意图;
图4是本发明控制系统中Buck-Boost变换器的电路结构示意图;
图5是本发明一种电动汽车无线充电副边输出控制方法的控制框图。
图中,1.原边整流模块,2.滤波电容Cf1,3.逆变模块,4.松耦合变压器原边补偿电容C1,5.松耦合变压器原边电感LP,6.松耦合变压器副边电感LS,7.副边补偿电容,8.副边整流模块,9.滤波电感,10.Buck-Boost开关管,11.电感L1,12.二极管a,13.稳压电容C4,14.等效输出阻抗RL,15.Buck-Boost变换器,16.电压变化量计算模块,17.电压控制函数模块,18.电压电流转换模块,19.电流变化量计算模块,20.电流控制函数模块,21.电流增益函数模块,22.比较判断模块,23.PWM脉冲发生器,24.电压增益函数模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,如图1所示,包括通过导线连接的无线充电拓扑电路单元和控制电路单元;
市电通过整流逆变变换器后,加在埋在地下的非接触变压器的原边上,无线充电拓扑电路单元包括埋在地下的非接触变压器原边和装载电动汽车车体上的变压器副边,变压器原边通过磁耦合向变压器副边传递能量;
控制电路单元包括电流变化量计算模块19和电压变化量计算模块16;
电压变化量计算模块16的输出端依次连接电压控制函数模块17和电压电流转换模块18;电压变化量计算模块16的输入端为的buck-boost变换器15的输出电压Uo和给定电压Uref;电压变化量计算模块16的目的是对buck-boost变换器15的输出电压Uo和给定电压Uref进行比较计算。
电流变化量计算模块19的输出端依次连接电流控制函数模块20、比较判断模块22和PWM脉冲发生器23;电流变化量计算模块19的输入端为buck-boost变换器15的输出电流Io和给定电流Iref;电流变化量计算模块19的目的是是对buck-boost变换器15的输出电流Io和给定电流Iref进行比较计算。
控制电路单元的运行过程如下:
如图2所示,先在电动汽车恒流充电阶段将buck-boost变换器15的输出电流Io和给定电流进行比较计算,判断电路处于恒流充电阶段,则对电路采用电流控制,并将输出的结果与比较判断模块22比较判断,经PWM脉冲发生器23的PWM脉冲信号输出给Buck-Boost开关管10;
当电压上升到恒压充电阶段时,先将buck-boost变换器15的输出电压Uo和给定电压进行比较计算,判断电路处于恒流充电阶段,则对电路采用电压控制,并将输出的结果与比较判断模块22比较判断,经PWM脉冲发生器23的PWM脉冲信号输出给Buck-Boost开关管10。
PWM脉冲发生器23通过电流增益函数模块21调控电流变化量计算模块19;PWM脉冲发生器23通过电压增益函数模块24调控电压变化量计算模块16。电压增益函数模块24由Buck-Boost变换器15电流变化量、输入电压Uin、电感电流IL、Uo求得。电流增益函数模块21由Buck-Boost变换器电流变化量、输入电压Uin、电感电流IL、Uo求得。
变压器原边的电路输入220V交流电压,具体结构为:包括原边整流模块1,原边整流模块1通过导线依次连接滤波电容Cf12和逆变模块3,逆变模块3还通过导线依次连接松耦合变压器原边补偿电容C14和松耦合变压器原边电感LP5。如图3所示,为松耦合变压器的电路结构示意图。原边整流模块1由四个二极管组成,具体的二极管D1、二极管D4组成正半周回路,二极管D2、二极管D3组成负半周回路;逆变模块3由四个MOS管组成,具体的MOS管S1、MOS管S4组成正半周回路,MOS管S2、MOS管S3组成负半周回路。
变压器副边的电路结构为:包括松耦合变压器副边电感LS6,松耦合变压器副边电感LS6通过导线依次连接副边补偿电容7、副边整流模块8、滤波电感9和Buck-Boost变换器15;松耦合变压器原边电感LP5通过磁耦合与松耦合变压器副边电感LS6连接。副边补偿电容7包括通过导线依次连接的副边补偿电容C2和C3;副边整流模块8由四个二极管组成,具体的二极管D5、二极管D8组成正半周回路,二极管D6、二极管D7组成负半周回路。
其中,所有整流模块的作用是为了将交流电转换成直流电,逆变模块是为了实现直流电与高频交流电的转换,所有补偿电容是为了消除变压器的漏感实现最大输出效率与传输效率,滤波电容则是为了滤除电路中所含的谐波,实现高质量输出。
如图4所示,为Buck-Boost变换器的电路结构示意图。Buck-Boost变换器15的具体电路结构为:包括Buck-Boost开关管10,Buck-Boost开关管10通过导线依次连接相互并联的电感L111和二极管a12以及稳压电容C413;Buck-Boost变换器15输入端通过Buck-Boost开关管10接通副边整流模块8,Buck-Boost变换器15输出端与等效输出阻抗RL14连接;Buck-Boost开关管10连接PWM脉冲发生器23。
Buck-Boost变换器15是为了实现电路的恒定输出。当负载扰动时,调节变换器占空比实现稳定输出;当松耦合变压器耦合系数变化时,调节占空比的占空比实现升压或降压的功能,从而实现电路稳定输出。
副边采用Buck-Boost变换器可实现电动汽车无线充电系统的稳定输出。
一种电动汽车无线充电副边输出控制方法,包括以下步骤:
步骤1,利用松耦合变压器的补偿拓扑实现在谐振频率点处对电动汽车无线充电副边Buck-Boost变换器15恒压输入,根据电路参数的变化调节Buck-Boost变换器15的占空比,从而调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率。具体为:
步骤1.1,根据电动汽车无线充电副边输出控制系统,得到Buck-Boost变换器15的输入电流和输入电压,即相当于松耦合变压器输出电流Iin和输出电压Uin,如公式(1)和(2):
Figure BDA0001680577780000131
Figure BDA0001680577780000132
公式(1)和(2)中,参数ω为谐振频率,参数k为松耦合变压器耦合系数,参数LP为松耦合变压器原边电感,参数LS为松耦合变压器副边电感,参数UAB为补偿拓扑输入电压,参数Re为松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗,
参数A=(Re(Rp+RpRs-Re 2(RpRs)),
参数
Figure BDA0001680577780000133
其中,参数Rp为原边线圈等效内阻,参数Rs为副边线圈等效内阻;参数C3为副边补偿电容C3
步骤1.2,根据步骤1.1得到松耦合变压器参数Iin和Uin,计算得到松耦合变压器的输出功率Pout与传输效率ηout,分别为公式(3)和(4):
Figure BDA0001680577780000134
Figure BDA0001680577780000135
公式(3)和(4)中,
参数C=[Rp(Rs+E)-(ωLp-1/ωC1)(ωLS-EωC2Re)+ω2k2LPLS],
参数D=[Rp(ωLS-1/ωC2-EωC2Re)+(ωLp-1/ωC1)(Rs+E)],
参数E=Re/(1+ω2C3 2Re 2);
其中,参数C1为松耦合变压器原边补偿电容C1,参数C2为副边补偿电容C2
步骤1.3,由步骤1.2得到,Buck-Boost变换器15的等效输出阻抗RL与松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗Re的关系表达式为公式(5):
Figure BDA0001680577780000141
其中,参数Rin为Buck-Boost变换器的等效输入阻抗;
步骤1.4,将步骤1.3中的等效输出阻抗RL替换为Re分别带入公式(1)、(2)、(3)和(4)中,即可得到通过调节Buck-Boost变换器15占空比、实现调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率。
步骤2,根据电动汽车充电电流与充电电压的要求,利用松耦合变压器输出电流和输出电压,Buck-Boost变换器15的输入电压Uin、电感电流IL计算出电流控制函数模块20和电压控制函数模块17中滑模观测器的控制函数,具体为:
步骤2.1,Buck-Boost变换器15中电路开关的状态方程为公式(6):
Figure BDA0001680577780000142
其中,L1为Buck-Boost变换器的电感值,Uo为Buck-Boost变换器电容电压,C4为Buck-Boost变换器的稳压电容值,x1,x2为状态变量且[x1,x2]=[iL,Uo],参数uo为输出电压瞬态值;
由上可知,Buck-Boost变换器15的电路状态方程为:
Figure BDA0001680577780000151
其中
Figure BDA0001680577780000152
其中,u为Buck-Boost开关管的控制变量且取值为0或1;
将公式(7)化简为:
Figure BDA0001680577780000153
其中,y为输出变量,h(X)为输出函数;
对公式(8)进行验证可得:
Figure BDA0001680577780000154
由公式(9)可证得在x≠0处,[g(x)Lfg(x)]的秩为2,实现精确反馈线性化;
步骤2.2,根据步骤2.1建立的X,y坐标系,进行坐标变换可得:
Figure BDA0001680577780000155
其中,参数z1和参数z2均为变换坐标后的状态变量;
经坐标变换后,原非线性系统可表示为:
Figure BDA0001680577780000156
公式(11)中新控制量v与原Buck-Boost开关管控制变量u的关系为:
Figure BDA0001680577780000161
步骤2.3,在步骤2.2坐标变换后的基础上,选取偏差:
Figure BDA0001680577780000162
Figure BDA0001680577780000163
其中,参数e1、e2为偏差变量,参数z1ref为状态变量Z1稳态时的数值,参数z2ref为状态变量Z2稳态时的数值
令电流控制函数模块20和电压控制函数模块17中滑模控制器的滑模面为:
Figure BDA0001680577780000164
其中,参数ILref为电感电流给定值,参数Uoref为输出电压给定值,c1为滑模面参数,
选取公式(14)中指数趋近律做切换控制:
Figure BDA0001680577780000165
其中,参数s为线性切换函数,参数e为趋近律参数,参数k为趋近律指数项参数;
Figure BDA0001680577780000166
求得等效控制veq与新控制函数v分别为:
Figure BDA0001680577780000167
Figure BDA0001680577780000168
则Buck-Boost模式下滑模控制器的控制函数为:
Figure BDA0001680577780000171
步骤3,当控制系统处于稳定传输时,由步骤1可知,在恒流充电阶段,等效输出阻抗RL发生变化时,buck-boost变换器15的输出电流Io与输出电流Uo也会发生变化,对应的电感电流IL与电容电压Uo也会发生改变,此时步骤2中滑模观测器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值,调节输出电流恒定;在恒压充电阶段,与恒流阶段相同,电压滑模控制器的控制函数会根据变化的参数与给定电压输出电压控制对应的函数值,调节输出电压恒定;
当松耦合变压器传输不稳定时,即松耦合变压器原、副边线圈相对位置变化时,耦合系数k值改变,Buck-Boost变换器15的输入电压电流相应发生变化,在恒流充电阶段,当控制系统的耦合系数变化时,步骤2中的电流滑模控制器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值,输出的控制函数值与比较判断模块22确定Buck-Boost变换器的占空比,随后根据步骤1调节输出电流恒定;在恒压充电阶段,输出的控制函数值与比较判断模块22确定Buck-Boost变换器15的占空比,随后根据步骤1调节输出电压恒定。
如图5所示,系统通过比较模块确定电路处于恒压还是恒流阶段,之后选取电流控制函数模块20或者电压控制函数模块21确保在电路参数变化时保持电路输出恒定。
当输出侧等效负载发生变化导致输出电压电流变化时,通过滑模控制调节Buck-Boost变换器的占空比使得输出电流与输出电压与给定值一致,减少输出电流与输出电压的纹波,同时也可保持功率额定输出;同理,当松耦合变压器相对位置发生变化导致耦合系数变化,造成的Buck-Boost变换器输入电流与输入电压发生变化,通过调节Buck-Boost变换器的占空比使得输出电流与输出电压与给定值一致,保持电路的额定功率输出。
本发明的控制方法保证了系统的动态响应快,输出电压与输出电流精度高,提高了参数动态变化时输出的稳定性,增强了系统的鲁棒性。

Claims (4)

1.一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,其特征在于,包括通过导线连接的无线充电拓扑电路单元和控制电路单元;
所述无线充电拓扑电路单元包括埋在地下的非接触变压器原边和装载电动汽车车体上的变压器副边,所述变压器原边通过磁耦合向变压器副边传递能量;
所述控制电路单元包括电流变化量计算模块(19)和电压变化量计算模块(16);所述电压变化量计算模块(16)的输出端依次连接电压控制函数模块(17)和电压电流转换模块(18);所述电流变化量计算模块(19)的输出端依次连接电流控制函数模块(20)、比较判断模块(22)和PWM脉冲发生器(23);
所述PWM脉冲发生器(23)通过电流增益函数模块(21)调控电流变化量计算模块(19);所述PWM脉冲发生器(23)通过电压增益函数模块(24)调控电压变化量计算模块(16);
所述变压器副边的电路结构为:包括松耦合变压器副边电感LS(6),松耦合变压器副边电感LS(6)通过导线依次连接副边补偿电容(7)、副边整流模块(8)、电容(9)和Buck-Boost变换器(15);所述松耦合变压器原边电感LP(5)通过磁耦合与松耦合变压器副边电感LS(6)连接;
所述副边补偿电容(7)包括通过导线依次连接的副边补偿电容C2和C3;所述副边整流模块(8)由四个二极管组成,具体的二极管D5、二极管D8组成正半周回路,二极管D6、二极管D7组成负半周回路;
所述Buck-Boost变换器(15)的具体电路结构为:包括Buck-Boost开关管(10),Buck-Boost开关管(10)通过导线依次连接相互并联的电感L1(11)和二极管a(12)以及稳压电容C4(13);所述Buck-Boost变换器(15)输入端通过Buck-Boost开关管(10)接通副边整流模块(8),Buck-Boost变换器(15)输出端与等效输出阻抗RL(14)连接;所述Buck-Boost开关管(10)连接PWM脉冲发生器(23);
电动汽车无线充电副边输出控制系统的控制方法,包括以下步骤:
步骤1,利用松耦合变压器的补偿拓扑实现在谐振频率点处对电动汽车无线充电副边Buck-Boost变换器(15)恒压输入,根据电路参数的变化调节Buck-Boost变换器(15)的占空比,从而调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率;具体为:
步骤1.1,根据电动汽车无线充电副边输出控制系统,得到Buck-Boost变换器(15)的输入电流和输入电压,即相当于松耦合变压器输出电流Iin和输出电压Uin,如公式(1)和(2):
Figure FDA0003195399820000021
Figure FDA0003195399820000022
公式(1)和(2)中,参数ω为谐振频率,参数k为松耦合变压器耦合系数,参数LP为松耦合变压器原边电感,参数LS为松耦合变压器副边电感,参数UAB为补偿拓扑输入电压,参数Re为松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗,
参数A=(Re(Rp+RpRs-Re 2(RpRs)),
参数
Figure FDA0003195399820000031
其中,参数Rp为原边线圈等效内阻,参数Rs为副边线圈等效内阻;参数C3为副边补偿电容C3
步骤1.2,根据步骤1.1得到松耦合变压器参数Iin和Uin,计算得到松耦合变压器的输出功率Pout与传输效率ηout,分别为公式(3)和(4):
Figure FDA0003195399820000032
Figure FDA0003195399820000033
公式(3)和(4)中,
参数C=[Rp(Rs+E)-(ωLp-1/ωC1)(ωLS-EωC2Re)+ω2k2LPLS],
参数F=[Rp(ωLS-1/ωC2-EωC2Re)+(ωLp-1/ωC1)(Rs+E)],
参数E=Re/(1+ω2C3 2Re 2);
其中,参数C1为松耦合变压器原边补偿电容C1,参数C2为副边补偿电容C2
步骤1.3,由步骤1.2得到,Buck-Boost变换器(15)的等效输出阻抗RL与松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗Re的关系表达式为公式(5):
Figure FDA0003195399820000034
其中,参数Rin为Buck-Boost变换器的等效输入阻抗;
步骤1.4,将步骤1.3中的等效输出阻抗RL替换为Re分别带入公式(1)、(2)、(3)和(4)中,即可得到通过调节Buck-Boost变换器(15)占空比、实现调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率;
步骤2,根据电动汽车充电电流与充电电压的要求,利用松耦合变压器输出电流和输出电压,Buck-Boost变换器(15)的输入电压Uin、电感电流IL计算出电流控制函数模块(20)和电压控制函数模块(17)中滑模观测器的控制函数;
步骤3,当控制系统处于稳定传输时,由步骤1可知,在恒流充电阶段,等效输出阻抗RL发生变化时,buck-boost变换器(15)的输出电流Io与输出电流Uo也会发生变化,对应的电感电流IL与电容电压Uo也会发生改变,此时步骤2中滑模观测器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值,调节输出电流恒定;在恒压充电阶段,与恒流阶段相同,电压滑模控制器的控制函数会根据变化的参数与给定电压输出电压控制对应的函数值,调节输出电压恒定;
当松耦合变压器传输不稳定时,即松耦合变压器原、副边线圈相对位置变化时,耦合系数k值改变,Buck-Boost变换器(15)的输入电压电流相应发生变化,在恒流充电阶段,当控制系统的耦合系数变化时,步骤2中的电流滑模控制器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值,输出的控制函数值与比较判断模块(22)确定Buck-Boost变换器的占空比,随后根据步骤1调节输出电流恒定;在恒压充电阶段,输出的控制函数值与比较判断模块(22)确定Buck-Boost变换器(15)的占空比,随后根据步骤1调节输出电压恒定。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,其特征在于,所述变压器原边的电路结构为:包括原边整流模块(1),原边整流模块(1)通过导线依次连接滤波电容Cf1(2)和逆变模块(3),逆变模块(3)还通过导线依次连接松耦合变压器原边补偿电容C1(4)和松耦合变压器原边电感LP(5)。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车无线充电副边输出控制系统,其特征在于,所述原边整流模块(1)由四个二极管组成,具体的二极管D1、二极管D4组成正半周回路,二极管D2、二极管D3组成负半周回路;
所述逆变模块(3)由四个MOS管组成,具体的MOS管S1、MOS管S4组成正半周回路,MOS管S2、MOS管S3组成负半周回路。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车无线充电副边输出控制方法,其特征在于,所述步骤2具体为:
步骤2.1,Buck-Boost变换器(15)中电路开关的状态方程为公式(6):
Figure FDA0003195399820000051
其中,L1为Buck-Boost变换器的电感值,Uo为Buck-Boost变换器电容电压,C4为Buck-Boost变换器的稳压电容值,x1,x2为状态变量且[x1,x2]=[iL,Uo],参数uo为输出电压瞬态值;
由上可知,Buck-Boost变换器(15)的电路状态方程为:
Figure FDA0003195399820000061
其中
Figure FDA0003195399820000062
其中,u为Buck-Boost开关管的控制变量且取值为0或1;
将公式(7)化简为:
Figure FDA0003195399820000063
其中,y为输出变量,h(X)为输出函数;
对公式(8)进行验证可得:
Figure FDA0003195399820000064
由公式(9)可证得在x≠0处,[g(x)Lfg(x)]的秩为2,实现精确反馈线性化;
步骤2.2,根据步骤2.1建立的X,y坐标系,进行坐标变换可得:
Figure FDA0003195399820000065
其中,参数z1和参数z2均为变换坐标后的状态变量;
经坐标变换后,原非线性系统可表示为:
Figure FDA0003195399820000071
公式(11)中新控制量v与原Buck-Boost开关管控制变量u的关系为:
Figure FDA0003195399820000072
步骤2.3,在步骤2.2坐标变换后的基础上,选取偏差:
Figure FDA0003195399820000073
其中,参数e1、e2为偏差变量,参数z1ref为状态变量Z1稳态时的数值,参数z2ref为状态变量Z2稳态时的数值
令电流控制函数模块(20)和电压控制函数模块(17)中滑模控制器的滑模面为:
Figure FDA0003195399820000074
其中,参数ILref为电感电流给定值,参数Uoref为输出电压给定值,c1为滑模面参数,
选取公式(14)中指数趋近律做切换控制:
Figure FDA0003195399820000075
其中,参数s为线性切换函数,参数ε为趋近律参数,参数k为趋近律指数项参数;
Figure FDA0003195399820000084
求得等效控制veq与新控制函数v分别为:
Figure FDA0003195399820000081
Figure FDA0003195399820000082
则Buck-Boost模式下滑模控制器的控制函数为:
Figure FDA0003195399820000083
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