CN108767956B - 一种动态无线电能传输系统及其无源控制方法 - Google Patents

一种动态无线电能传输系统及其无源控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态无线电能传输系统及其无源控制方法，该系统包括地面无线电能发射系统和车载无线电能接收系统；地面无线电能发射系统由n套分段式无线电能发射装置组成，每套无线电能发射装置包括第一全桥整流模块、逆变模块、无线电能发射模块、发射端控制器和地面无线通信模块；车载无线电能接收系统包括无线电能接收模块、第二全桥整流模块、DC/DC模块、接收端无源控制器和车载无线通信模块；无线电能发射线圈布置在电动汽车行驶的道路上，无线电能接收线圈安装至电动汽车的底面；本发明采用无源控制策略，在保证系统的稳定性的同时改善系统的动态特性，使得动态无线电能传输系统具有良好的跟随性，快速性和稳定性。

Description

一种动态无线电能传输系统及其无源控制方法
技术领域
本发明涉及动态无线电能传输系统，具体地指一种动态无线电能传输系统及其无源控制方法。
背景技术
随着现代社会的快速发展，传统化石能源已经不能够满足人类的日常生活需求。此外，传统化石能源还造成了严重的环境污染问题。因此，发展清洁能源势在必行。汽车作为现代社会最重要的交通工具之一，传统的燃油汽车所带来的问题也日益突出。随着全球汽车数量的急剧增长，化石能源已经不能满足燃油汽车的需要，燃油汽车同时也对环境造成了巨大的破坏。在全球环境恶化和能源短缺等问题的大背景下，发展和推广甚至普及电动汽车等新能源汽车愈发重要。
目前电动汽车的充电方式主要分为有线充电(接触式充电)和无线充电(非接触式充电)两种充电方式。有线充电方式这一传统充电方式，是一种比较常见的充电方式，这种充电方式存在着接口限制和安全问题等方面的诸多弊端。无线充电方式作为一种新型的充电方式，其主要原理是采用无线电能传输技术来实现对电动汽车的无线充电。
根据电动汽车在进行无线充电的过程中所处运行状态的不同，可以将无线充电方式分为静态无线充电和动态无线充电两种方式。静态无线充电方式对充电区域存在着严格限制，用户必须到指定的区域进行充电，并且在充电过程中，电动汽车无法行驶。由于目前电动汽车锂电池容量和体积的限制，电动汽车无法长途行驶，短时间内对电动汽车充满电是一种理想的充电方式，因此，要求静态无线充电设施提供一个很高的充电功率用以缩短电动汽车的充电时间，这是静态无线充电技术一个技术难点。相比较而言，动态无线充电方式可以在电动汽车行驶的过程中进行连续充电，这样电动汽车只需装备少量的电池组即可满足高续航里程的要求，而且，由于电动汽车能够进行持续的充电，也不需要充电设施提供很高的充电功率，这也降低了对充电设施的要求，因此电动汽车动态无线充电过程更为安全方便。
发明内容
本发明为解决现有技术中的问题，提出一种动态无线电能传输系统，在克服上述现有控制技术的不足而采用无源控制方法，使得动态无线电能传输系统具有良好的跟随性，快速性和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种动态无线电能传输系统，包括地面无线电能发射系统和车载无线电能接收系统；
所述地面无线电能发射系统由n套分段式无线电能发射装置组成，每套无线电能发射装置包括第一全桥整流模块、逆变模块、无线电能发射模块、发射端控制器和地面无线通信模块；
所述第一全桥整流模块输入端外接三相交流电，所述逆变模块输入端与第一全桥整流模块输出端相连，所述逆变模块输出端与无线电能发射模块输入端相连；
所述无线电能发射模块包括发射端LCC补偿电路和无线电能发射线圈；
所述车载无线电能接收系统包括无线电能接收模块、第二全桥整流模块、DC/DC模块、接收端无源控制器和车载无线通信模块；
所述无线电能接收模块包括接收端LCC补偿电路和无线电能接收线圈；
所述第二全桥整流模块输入端与无线电能接收模块输出端相连，所述DC/DC模块输入端与第二全桥整流模块输出端相连，DC/DC模块输出端与电动汽车蓄电池相连；
所述地面无线通信模块和发射端控制器相连，车载无线通信模块和接收端无源控制器相连；
所述无线电能发射线圈布置在电动汽车行驶的道路上，所述无线电能接收线圈安装至电动汽车的底面；
所述发射端控制器包括发射端处理器、温度采样电路和发射端PWM生成电路；所述发射端PWM生成电路给高频逆变电路提供驱动信号，产生高频交流电；所述温度采样电路采集谐振电感、第一全桥整流模块和逆变模块的温度并传给发射端处理器，当检测到工作温度高于设置阀值时，发射端处理器发出关断发射端PWM生成电路的信号，使发射端PWM生成电路停止工作；
所述接收端无源控制器包括接收端处理器、电流采样电路、电压采样电路和接收端PWM生成电路；所述接收端PWM生成电路给DC/DC模块的开关管提供驱动信号；所述电流采样电路采集的DC/DC模块的电感电流值和电压采样电路采集的输入滤波电容电压值和输出电容电压值送给接收端处理器，经过无源控制计算获得最优占空比，通过接收端PWM生成电路生成相应占空比的PWM信号，生成的PWM信号控制DC/DC模块开关管的工作状态，从而控制DC/DC模块的工作状态。
进一步地，所述逆变模块由MOSFET开关管和其反并联二极管组成，用于将直流电转换成高频交流电，输出阻抗成感性时，谐振电流相位滞后于谐振电压相位，从而保证零电压开关的实现，减小系统开关损耗；所述零电压开关是一种软开关技术，即当开关管关断和开关管导通时，其两端的电压已经为0，从而使开关管的开关损耗降到最低。
进一步地，所述发射端LCC补偿电路包括谐振电感Lf1、谐振电容Cf1和补偿电容Cp1；与之对应，接收端LCC补偿电路包括谐振电感Lf2、谐振电容Cf2和补偿电容Cp2；逆变模块的两个输出端依次串联谐振电感Lf1、并联谐振电容Cf1、串联补偿电容Cp1后，接无线电能发射线圈的两端；无线电能接收线圈的两端依次串联补偿电容Cp2、并联谐振电容Cf2、串联谐振电感Lf2后，作为第二全桥整流模块的输入端。
一种动态无线电能传输系统的无源控制方法，该方法具体为：根据道路上铺设的无线电能发射线圈，当电动汽车行驶到无线电能发射线圈上时，车载无线通信模块会发射电动汽车到来的信号给地面无线通信模块，从而确定电动汽车的到来，以此时刻为零时刻，与此同时将时间信息通过地面无线通信模块发送到车载无线通信模块，根据电动汽车车速和时间间隔，来判断电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置，根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置确定耦合因子大小，推导出DC/DC模块的输入电流iin大小；接收端无源控制器将输入电流iin和电流采样电路采集的DC/DC模块的电感电流值和电压采样电路采集的输入滤波电容电压值和输出电容电压值送给接收端处理器，经过无源控制计算获得DC/DC模块的占空比，控制DC/DC模块的工作状态，在下一时刻采样时，重复上述步骤；所述耦合因子的大小和输入电流iin的大小，可以根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置列写出数据表，耦合因子的大小和输入电流iin的大小和相对位置一一对应，反过来根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置通过查表的方法可以确定耦合因子的大小和输入电流iin的大小。
进一步地，在考虑前级的滤波电容情况下，对车载无线电能接收系统的DC/DC模块进行数学建模，得到DC/DC模块的平均状态方程：
Figure GDA0002420412990000031
其中，iin、
Figure GDA0002420412990000032
iL和
Figure GDA0002420412990000033
分别表示输入电流、输入滤波电容上的电压、DC/DC模块的电感电流和输出电容电压，d、iR和uout分别表示DC/DC模块工作的占空比、DC/DC模块输出电阻上的电流和电压；
选择x＝[x1 x2 x3]T为系统的状态变量，其中x1＝iL,
Figure GDA0002420412990000034
将式(1)写成它的EL数学模型的形式：
Figure GDA0002420412990000041
上式中，
Figure GDA0002420412990000042
假设期望的状态矢量为x*＝[x1 *x2 *x3 *]，x1 *、x2 *、x3 *满足式(2)；设状态矢量误差e＝x-x*，由式(2)可得DC/DC模块的误差动态方程为：
Figure GDA0002420412990000043
取误差能量存储函数
Figure GDA0002420412990000044
为加速He(x)快速收敛到0，在式(3)两端添加阻尼耗散项Rae，Ra为：
Figure GDA0002420412990000045
取接收端无源控制器为
Figure GDA0002420412990000046
时，可得：
Figure GDA0002420412990000047
则，求He(x)对时间的倒数为：
Figure GDA0002420412990000048
故接收端无源控制器可以实现控制目的；
把式(3)展开得：
Figure GDA0002420412990000049
假设期望输入电容电压为恒定值x2 *＝Uc *，根据式(4)可得：
Figure GDA00024204129900000410
将电流采样电路采集到的输入电流、DC/DC模块的电感电流和电压采样电路采集到的输入滤波电容电压值和输出电容电压值传给接收端无源控制器，可以得到占空比输出值d为：
Figure GDA0002420412990000051
本发明的有益效果是：动态无线电能传输系统需要满足汽车在高速行驶状态下充电，传统的PID，跟随性较慢，难以做到快速控制。无源控制策略可以处理系统的动态性能，而不仅仅只是稳定性。采用无源控制策略，在保证系统的稳定性的同时改善系统的动态特性，使得动态无线电能传输系统具有良好的跟随性，快速性和稳定性。
附图说明
图1为动态无线电能传输系统的拓扑结构图；
图2为动态无线电能传输系统结构图；
图3为DC/DC电路开关状态等效电路图，(a)为导通状态，(b)为关断状态；
图4动态无线电能传输系统的无源控制流程图。
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，本发明提供的一种动态无线电能传输系统，包括地面无线电能发射系统和车载无线电能接收系统；
所述地面无线电能发射系统由n套分段式无线电能发射装置组成，每套无线电能发射装置包括第一全桥整流模块、逆变模块、无线电能发射模块、发射端控制器和地面无线通信模块；
所述第一全桥整流模块输入端外接三相交流电，所述逆变模块输入端与第一全桥整流模块输出端相连，所述逆变模块输出端与无线电能发射模块输入端相连；
所述无线电能发射模块包括发射端LCC补偿电路和无线电能发射线圈；
所述车载无线电能接收系统包括无线电能接收模块、第二全桥整流模块、DC/DC模块、接收端无源控制器和车载无线通信模块；
所述无线电能接收模块包括接收端LCC补偿电路和无线电能接收线圈；
所述第二全桥整流模块输入端与无线电能接收模块输出端相连，所述DC/DC模块输入端与第二全桥整流模块输出端相连，DC/DC模块输出端与电动汽车蓄电池相连；
所述地面无线通信模块和发射端控制器相连，车载无线通信模块和接收端无源控制器相连；
LCC补偿电路满足以下公式：
Figure GDA0002420412990000061
Figure GDA0002420412990000062
Figure GDA0002420412990000063
Figure GDA0002420412990000064
其中ω0为逆变器工作频率，L1和L2为发射线圈和接收线圈的感量，Cf1和Cf2分别为发射端和接收端并联谐振电容值，Cp1和Cp2分别为发射端和接收端串联补偿电容值，Lf1和Lf2为发射端和接收端谐振线圈的感量。
如图2所示，所述无线电能发射线圈按照适当距离铺设在电动汽车行驶的道路上，所述无线电能接收线圈安装至电动汽车的底面；当汽车行驶在铺满发射线圈的道路上，无线电能传输系统根据汽车的需求进行工作，给汽车提供动态充电。
所述发射端控制器包括发射端DSP28335处理器、温度采样电路和发射端PWM生成电路；所述发射端PWM生成电路给高频逆变电路提供驱动信号，产生高频交流电；所述温度采样电路采集谐振电感、第一全桥整流模块和逆变模块的温度并传给发射端DSP28335处理器，当检测到工作温度高于设置阀值时，发射端DSP28335处理器发出关断发射端PWM生成电路的信号，使发射端PWM生成电路停止工作；
所述接收端无源控制器包括接收端DSP28335处理器、电流采样电路、电压采样电路和接收端PWM生成电路；所述接收端PWM生成电路给DC/DC模块的开关管提供驱动信号；所述电流采样电路采集的DC/DC模块的电感电流值和电压采样电路采集的输入滤波电容电压值和输出电容电压值送给接收端DSP28335处理器，经过无源控制计算获得最优占空比，通过接收端PWM生成电路生成相应占空比的PWM信号，生成的PWM信号控制DC/DC模块开关管的工作状态，从而控制DC/DC模块的工作状态。
进一步地，所述逆变模块由MOSFET开关管和其反并联二极管组成，用于将直流电转换成高频交流电，输出阻抗成感性时，谐振电流相位滞后于谐振电压相位，从而保证零电压开关的实现，减小系统开关损耗；所述零电压开关是一种软开关技术，即当开关管关断和开关管导通时，其两端的电压已经为0，从而使开关管的开关损耗降到最低。
进一步地，所述发射端LCC补偿电路包括谐振电感Lf1、谐振电容Cf1和补偿电容Cp1；与之对应，接收端LCC补偿电路包括谐振电感Lf2、谐振电容Cf2和补偿电容Cp2；逆变模块的两个输出端依次串联谐振电感Lf1、并联谐振电容Cf1、串联补偿电容Cp1后，接无线电能发射线圈的两端；无线电能接收线圈的两端依次串联补偿电容Cp2、并联谐振电容Cf2、串联谐振电感Lf2后，作为第二全桥整流模块的输入端。
进一步地，对无线电能传输系统接收端的DC/DC模块进行数学建模，并考虑前级的滤波电容，设定DC/DC模块的输入电流源信号为iin(t)。在开关管处于导通状态和关断状态下，其等效电路图分别如图3中(a)和(b)所示。
当DC/DC模块工作于开关管导通状态下，等效电路图如图3中(a)所示，其工作状态方程可以表示为：
Figure GDA0002420412990000071
当DC/DC模块工作于开关管关断状态下，等效电路图如图3中(b)所示，其工作状态方程可以表示为：
Figure GDA0002420412990000072
在开关管导通和关断的一个开关周期内，对上述状态方程取平均值可得平均状态方程：
Figure GDA0002420412990000073
其中，iin、
Figure GDA0002420412990000074
iL和
Figure GDA0002420412990000075
分别表示输入电流、输入滤波电容上的电压、DC/DC模块的电感电流和输出电容电压，d、iR和uout分别表示DC/DC模块工作的占空比、DC/DC模块输出电阻上的电流和电压；
选择x＝[x1 x2 x3]T为系统的状态变量，其中x1＝iL,
Figure GDA0002420412990000076
将式(1)写成它的EL数学模型的形式：
Figure GDA0002420412990000077
上式中，
Figure GDA0002420412990000081
假设期望的状态矢量为x*＝[x1 *x2 *x3 *]，x1 *、x2 *、x3 *满足式(2)；设状态矢量误差e＝x-x*，由式(2)可得DC/DC模块的误差动态方程为：
Figure GDA0002420412990000082
取误差能量存储函数
Figure GDA0002420412990000083
为加速He(x)快速收敛到0，在式(3)两端添加阻尼耗散项Rae，Ra为：
Figure GDA0002420412990000084
取接收端无源控制器为
Figure GDA0002420412990000085
时，可得：
Figure GDA0002420412990000086
则，求He(x)对时间的倒数为：
Figure GDA0002420412990000087
故接收端无源控制器可以实现控制目的；
把式(3)展开得：
Figure GDA0002420412990000088
假设期望输入电容电压为恒定值x2 *＝Uc *，根据式(4)可得：
Figure GDA0002420412990000089
将电流采样电路采集到的输入电流、DC/DC模块的电感电流和电压采样电路采集到的输入滤波电容电压值和输出电容电压值传给接收端无源控制器，可以得到占空比输出值d为：
Figure GDA00024204129900000810
进一步地，如图3所示，根据道路上铺设的无线电能发射线圈，当电动汽车行驶到无线电能发射线圈上时，车载无线通信模块会发射电动汽车到来的信号给地面无线通信模块，从而确定电动汽车的到来，以此时刻为零时刻，与此同时将时间信息通过地面无线通信模块发送到车载无线通信模块，根据电动汽车车速和时间间隔，来判断电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置，根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置确定耦合因子大小，推导出DC/DC模块的输入电流iin大小；接收端无源控制器将输入电流iin和电流采样电路采集的DC/DC模块的电感电流值和电压采样电路采集的输入滤波电容电压值和输出电容电压值送给接收端DSP28335处理器，经过无源控制计算获得DC/DC模块的占空比，控制DC/DC模块的工作状态，在下一时刻采样时，重复上述步骤；所述耦合因子的大小和输入电流iin的大小，可以根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置列写出数据表，耦合因子的大小和输入电流iin的大小和相对位置一一对应，反过来根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置通过查表的方法可以确定耦合因子的大小和输入电流iin的大小。
由式(5)，通过无源控制计算出最优的占空比，作用于系统，从而获得最优的uCd1，即获得最优的Uab从而获得最佳的传输功率；无线电能传输功率P为：
Figure GDA0002420412990000091
其中M为发射线圈和接收线圈之间的互感量，UAB为发射端LCC输入方波电压基波的有效值，Uab为接收端LCC输出方波电压基波的有效值。在下一时刻采样时，重复上述步骤。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种动态无线电能传输系统，其特征在于：包括地面无线电能发射系统和车载无线电能接收系统；
所述地面无线电能发射系统由n套分段式无线电能发射装置组成，每套无线电能发射装置包括第一全桥整流模块、逆变模块、无线电能发射模块、发射端控制器和地面无线通信模块；
所述第一全桥整流模块输入端外接三相交流电，所述逆变模块输入端与第一全桥整流模块输出端相连，所述逆变模块输出端与无线电能发射模块输入端相连；
所述无线电能发射模块包括发射端LCC补偿电路和无线电能发射线圈；
所述车载无线电能接收系统包括无线电能接收模块、第二全桥整流模块、DC/DC模块、接收端无源控制器和车载无线通信模块；
所述无线电能接收模块包括接收端LCC补偿电路和无线电能接收线圈；
所述第二全桥整流模块输入端与无线电能接收模块输出端相连，所述DC/DC模块输入端与第二全桥整流模块输出端相连，DC/DC模块输出端与电动汽车蓄电池相连；
所述地面无线通信模块和发射端控制器相连，车载无线通信模块和接收端无源控制器相连；
所述无线电能发射线圈布置在电动汽车行驶的道路上，所述无线电能接收线圈安装至电动汽车的底面；
所述发射端控制器包括发射端处理器、温度采样电路和发射端PWM生成电路；所述发射端PWM生成电路给高频逆变电路提供驱动信号，产生高频交流电；所述温度采样电路采集谐振电感、第一全桥整流模块和逆变模块的温度并传给发射端处理器，当检测到工作温度高于设置阀值时，发射端处理器发出关断发射端PWM生成电路的信号，使发射端PWM生成电路停止工作；
所述接收端无源控制器包括接收端处理器、电流采样电路、电压采样电路和接收端PWM生成电路；所述接收端PWM生成电路给DC/DC模块的开关管提供驱动信号；所述电流采样电路采集的DC/DC模块的电感电流值和电压采样电路采集的输入滤波电容电压值和输出电容电压值送给接收端处理器，经过无源控制计算获得最优占空比，通过接收端PWM生成电路生成相应占空比的PWM信号，生成的PWM信号控制DC/DC模块开关管的工作状态，从而控制DC/DC模块的工作状态；
所述动态无线电能传输系统的无源控制方法具体如下：在考虑前级的滤波电容情况下，对车载无线电能接收系统的DC/DC模块进行数学建模，得到DC/DC模块的平均状态方程：
Figure FDA0002420412980000021
其中，iin、
Figure FDA0002420412980000022
iL和
Figure FDA0002420412980000023
分别表示输入电流、输入滤波电容上的电压、DC/DC模块的电感电流和输出电容电压，d、iR和uout分别表示DC/DC模块工作的占空比、DC/DC模块输出电阻上的电流和电压；
选择x＝[x1 x2 x3]T为系统的状态变量，其中x1＝iL,
Figure FDA0002420412980000024
将式(1)写成它的EL数学模型的形式：
Figure FDA0002420412980000025
上式中，
Figure FDA0002420412980000026
假设期望的状态矢量为x*＝[x1 *x2 *x3 *]，x1 *、x2 *、x3 *满足式(2)；设状态矢量误差e＝x-x*，由式(2)可得DC/DC模块的误差动态方程为：
Figure FDA0002420412980000027
取误差能量存储函数
Figure FDA0002420412980000028
为加速He(x)快速收敛到0，在式(3)两端添加阻尼耗散项Rae，Ra为：
Figure FDA0002420412980000029
取接收端无源控制器为
Figure FDA00024204129800000210
时，可得：
Figure FDA00024204129800000211
则，求He(x)对时间的倒数为：
Figure FDA00024204129800000212
把式(3)展开得：
Figure FDA0002420412980000031
假设期望输入电容电压为恒定值x2 *＝Uc *，根据式(4)可得：
Figure FDA0002420412980000032
将电流采样电路采集到的输入电流、DC/DC模块的电感电流和电压采样电路采集到的输入滤波电容电压值和输出电容电压值传给接收端无源控制器，可以得到占空比输出值d为：
Figure FDA0002420412980000033
2.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统，其特征在于，所述逆变模块由MOSFET开关管和其反并联二极管组成，用于将直流电转换成高频交流电，输出阻抗成感性时，谐振电流相位滞后于谐振电压相位，从而保证零电压开关的实现，减小系统开关损耗；所述零电压开关是一种软开关技术，即当开关管关断和开关管导通时，其两端的电压已经为0，从而使开关管的开关损耗降到最低。
3.根据权利要求1所述的一种动态无线电能传输系统，其特征在于，所述发射端LCC补偿电路包括谐振电感Lf1、谐振电容Cf1和补偿电容Cp1；与之对应，接收端LCC补偿电路包括谐振电感Lf2、谐振电容Cf2和补偿电容Cp2；逆变模块的两个输出端依次串联谐振电感Lf1、并联谐振电容Cf1、串联补偿电容Cp1后，接无线电能发射线圈的两端；无线电能接收线圈的两端依次串联补偿电容Cp2、并联谐振电容Cf2、串联谐振电感Lf2后，作为第二全桥整流模块的输入端。
4.一种权利要求1-3任一项所述动态无线电能传输系统的无源控制方法，其特征在于：根据道路上铺设的无线电能发射线圈，当电动汽车行驶到无线电能发射线圈上时，车载无线通信模块会发射电动汽车到来的信号给地面无线通信模块，从而确定电动汽车的到来，以此时刻为零时刻，与此同时将时间信息通过地面无线通信模块发送到车载无线通信模块，根据电动汽车车速和时间间隔，来判断电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置，根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置确定耦合因子大小，推导出DC/DC模块的输入电流iin大小；接收端无源控制器将输入电流iin和电流采样电路采集的DC/DC模块的电感电流值和电压采样电路采集的输入滤波电容电压值和输出电容电压值送给接收端处理器，经过无源控制计算获得DC/DC模块的占空比，控制DC/DC模块的工作状态，在下一时刻采样时，重复上述步骤；所述耦合因子的大小和输入电流iin的大小，可以根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置列写出数据表，耦合因子的大小和输入电流iin的大小和相对位置一一对应，反过来根据电动汽车相对于无线电能发射线圈的位置通过查表的方法可以确定耦合因子的大小和输入电流iin的大小。
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