CN109271732A - 一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法 - Google Patents

一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法。为了更好地对电动汽车动态无线充电系统进行优化，必须对系统建立足够精确的数学模型。本发明方法结合等效电路模型和状态空间模型的建模方法，即先建立不同情况下系统的模型，然后通过状态空间平均法建立系统的一个整体模型，再基于设置好的系统参数，通过将仿真实验结果与模型计算结果对比来验证数学模型的准确性，结果表明所建的模型是足够精确的。

Description

一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法
技术领域
本发明涉及一种建模方法，尤其涉及一种利用等效电路模型和状态空间平均模型建立电动汽车动态无线充电整体模型的方法。
背景技术
世界范围内的环境污染问题和资源短缺问题日益突出，为了节约能源和保护环境，需要开发新能源技术。而新能源行业目前最热门的当属新能源汽车，如果能解决汽车行业的问题，对保护环境和资源有很大帮助，所以新能源汽车取代传统汽车是一个大的趋势。而电动汽车作为新能源汽车的主力军，不仅各个企业投入大量的人力物力进行研发，政府也全力支持，对购买电动汽车的消费者提供一定的补贴。目前来说，比较常见的是混合动力式电动汽车，是因为当前的充电技术和充电设备还不是很完善，但是可以肯定的是混合动力车只是传统动力汽车向纯电动汽车的一个过渡。电动汽车在充电方式上的差别又可以细分为有线充电、静态无线充电和动态无线充电。有线充电是通过使用充电桩将电网的电能传输到电动汽车的电池里，有线充电技术已经比较成熟，我们在许多公共场所已经可以看到充电桩的使用。静态无线充电是利用电磁波感应原理，地面发射器和车体接收器之间产生磁场，传输电能。动态无线充电也是利用电磁波感应原理，不过是在行驶途中动态充电。对比电动汽车有线充电和无线充电方式，有线充电使用充电桩直接电气连接且充电电流较大，所以安全性、美观性不足，还会造成电气磨损。好处是有线充电没有电磁辐射而且相比无线充电方式实现较简单且充电效率较高。但是有线充电和静态无线充电都存在续航能力不足的问题，而且充电时间长需要数小时，特别是对于电动巴士这样的公交车辆很不方便。而动态无线充电则不需要考虑续航问题，因为动态无线充电是以非接触的方式在行驶途中进行动态充电，源源不断得提供能源供给。
发明内容
本发明的目的在于建立电动汽车动态无线充电的一个整体模型，解决目前部分模型不足以体现整体的动态性能的问题。
为了解决上述问题，本发明提出了一种利用等效电路和状态空间平均的动态建模方法，所述电动汽车动态无线充电系统包括地面无线电能发送装置和车载无线电能接收装置；所述地面无线电能发送装置包括高频逆变电源、发送端LCC阻抗匹配网络和发送线圈；所述车载无线电能接收装置包括接收线圈、接收端LCC阻抗匹配网络、全桥整流器、整流电容和DC/DC变换器；所述发送端LCC阻抗匹配网络和接收端LCC阻抗匹配网络均由电容、谐振电容、谐振电感构成；该方法包括以下步骤：
S1：按照无线充电系统的电路拓扑图建立系统等效电路模型；定义模型输入Us1为电能发送装置1的高频电源输出电压；Us2为电能发送装置2的高频电源输出电压；模型输出为负载电压；Ls1，C1s，C1p为电能发送装置1的阻抗匹配网络；Ls2，C2s，C2p为电能发送装置2的阻抗匹配网络；Ls3，C3s，C3p为电能接收装置的阻抗匹配网络；L1，L2，L3分别为两个发送线圈和接收线圈的自电感；M13，M23分别为接收线圈与两个发送装置的发送线圈之间的互感；C1为整流器输出端的滤波电容；L和C2分别为DC/DC变换器的电感和电容；RL为负载；
S2：基于建立的等效电路模型，求得系统的状态空间模型：定义电感Ls1中的电流iLS1为x1；电容C1p两端的电压Uc1p为x2；电容C1s两端的电压Uc1s为x3；发射线圈自电感L1中的电流为iL1为x4；电感Ls2中的电流iLS1为x5；电容C2p两端的电压Uc2p为x6；电容C2s两端的电压Uc2s为x7；发射线圈自电感L2中的电流为iL2为x8；发射线圈自电感L3中的电流为iL3为x9；电容C3s两端的电压Uc3s为x10；电容C3p两端的电压Uc3p为x11；电感Ls3中的电流iLs3为x12；电容C1两端的电压Uc1为x13；电感L中的电流iL为x14；电容C2两端的电压Uc2为x15；
S3：晶闸管导通，整流器输入电压为正时，基于定义的状态变量，建立如下状态空间方程组：
其中，u为高频逆变电源的输出电压，D＝L1L2L3-L2M13 2-L1M23 2；
进一步转换成矩阵形式，将微分方程形式的系统模型定义为状态空间
Son1(t)＝[Aon1(t)，Bon1(t)，Con1(t)，Don1(t)]，其中
Aon1(t)、Bon1(t)、Con1(t)、Don1(t)分别为晶闸管导通时整流器输入电压为正时的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵和前馈矩阵；
Con1(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Don1(t)＝0
S4：建立晶闸管导通并且整流器输入电压为负时的状态空间矩阵，并定义为Son2(t)＝[Aon2(t)，Bon2(t)，Con2(t)，Don2(t)]；
Con2(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Don2(t)＝0
S5：晶闸管断开时，建立如下述公式所示的状态空间方程，并定义为Soff(t)＝[Aoff(t)，Boff(t)，Coff(t)，Doff(t)]；
Boff＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]T
Coff＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Doff＝0
S6：构建电动汽车动态无线充电系统整体的状态空间模型为S(t)＝[As(t)，Bs(t)，Cs(t)，Ds(t)]，利用状态空间平均法将晶闸管导通时的系统模型和关断时的的系统模型进行平均处理，导通时的系统模型由整流器输入电压为正时的模型和为负时的模型平均所得，计算过程如下式所示：
Bs(t)＝[d/Ls1 0 0 0 d/Ls2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]T
Cs(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Ds(t)＝0
d为DC/DC变换器的占空比，Son(t)＝Son1(t)/2+Son2(t)/2。
进一步地，所述电能发送装置和电能接收装置采用磁耦合谐振式无线电能传输原理实现电能传输，是基于电磁感应原理，结合现代电力电子技术和控制理论的新型电能传输模式，即当激励频率为谐振电路固有频率时，谐振电路发生强耦合谐振，谐振内电流幅值是非谐振时的数倍，谐振电路周围磁场强度加强，可在较大传输距离下实现较高效率的无线电能传输。
进一步地，该方法先分别考虑晶闸管导通和关断时的系统模型，然后在晶闸管导通和关断的周期内，再分别考虑整流器的整流方向，针对不同的整流电流方向再建立相应的系统模型，即先建立不同情况下系统的模型，然后通过状态空间平均法建立系统的整体模型。
进一步地，对步骤S1-S6构建的电动汽车动态无线充电系统模型进行仿真，得到负载的输出电压和输出功率，分析模型的运行特性。
本发明由于采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：现有电动汽车无线充电系统建模方法大多都是建立系统的稳态模型，即指系统已稳定运行在某种工作状态，其参数保持不变，系统各变量经过一定时间的调整，已经按照某一规律在有序地变化。但是电动汽车动态无线充电系统由于电能发送装置与车载电能接受端相对变化速度快，使发送线圈与接收线圈之间的互感系数始终大范围变化，不满足建立稳态模型的条件，需要研究动态无线充电系统的动态建模方法。另外，现有的动态无线充电系统建模方法未考虑阻抗匹配网络为LCC形式，也未考虑加入全桥整流器、整流电容、DC/DC变换器对系统输出的影响。本发明利用电路分析和状态平均法建立了电动汽车动态无线充电系统准确的动态模型，是动态无线充电系统的控制策略研究的前提，为动态无线充电系统产品化和产业化提供理论基础。
附图说明
图1：电动汽车动态无线充电电路拓扑图；
图2：电动汽车动态无线充电等效电路图；
图3：互感系数变化曲线图；
图4：晶闸管不同占空比下输出电压曲线图；
图5：晶闸管不同占空比下输出功率曲线图；
图6：电动汽车动态无线充电系统性能指标图。
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详细说明。
本发明中所述的电动汽车动态无线充电系统包括地面无线电能发送装置和车载无线电能接收装置；所述地面无线电能发送装置包括高频逆变电源、发送端LCC阻抗匹配网络和发送线圈；所述车载无线电能接收装置包括接收线圈、接收端LCC阻抗匹配网络、全桥整流器、整流电容和DC/DC变换器；所述发送端LCC阻抗匹配网络和接收端LCC阻抗匹配网络均由电容、谐振电容、谐振电感构成。
电能发送装置和电能接收装置采用磁耦合谐振式无线电能传输原理实现电能传输，是基于电磁感应原理，结合现代电力电子技术和控制理论的新型电能传输模式，即当激励频率为谐振电路固有频率时，谐振电路发生强耦合谐振，谐振内电流幅值是非谐振时的数倍，谐振电路周围磁场强度加强，可在较大传输距离下实现较高效率的无线电能传输；为了使电能发送装置和电能接收装置同时发生谐振，分别在电能发送装置和电能接收装置中加入LCC阻抗匹配网络，使电能发送装置和电能接受装置固有频率等于系统激励频率，实现高效电能传输；电能接收装置除LCC阻抗匹配网络还包括全桥整流器、整流电容和DC/DC变换器(buck降压变换器)，接收线圈接收到的高频逆变交变电流经整流器和整流电容后变成直流电，经DC/DC变换器调整电压后为纯阻性负载供电；
一个电动无线充电系统可由多个地面无线电能发送装置和一个车载无线电能接收装置组成；对于两个地面无线电能发送装置和一个车载无线电能接收装置组成的无线充电系统，提出一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法，该方法包括以下步骤：
S1：为了便于分析建模，按照无线充电系统的电路拓扑图(如图1所示)建立系统等效电路模型(如图2所示)；模型输入Us1为电能发送装置1的高频电源输出电压；Us2为电能发送装置2的高频电源输出电压；模型输出为负载电压；其中，Ls1，C1s，C1p为电能发送装置1的阻抗匹配网络；Ls2，C2s，C2p为电能发送装置2的阻抗匹配网络；Ls3，C3s，C3p为电能接收装置的阻抗匹配网络；L1，L2，L3分别为两个发送线圈和接收线圈的自电感；M13，M23分别为接收线圈与两个发送装置的发送线圈之间的互感(互感变化曲线如图3所示)；C1为整流器输出端的滤波电容；L和C2分别为DC/DC变换器的电感和电容；RL为负载；
S2：为了建立谐振网络、全桥整流器和DC/DC变换器的整体系统模型，必须考虑整流器整流频率和DC/DC变换器中晶闸管的导通和关断；因为晶闸管的频率要远小于整流器的整流频率，所以我们可以先分别考虑晶闸管导通和关断时的系统模型，然后在晶闸管导通和关断的周期内，再分别考虑整流器的整流方向，针对不同的整流电流方向再建立相应的系统模型；
S3：基于建立的等效电路模型，求得系统的状态空间模型：定义电感Ls1中的电流iLS1为x1；电容C1p两端的电压Uc1p为x2；电容C1s两端的电压Uc1s为x3；发射线圈自电感L1中的电流为iL1为x4；电感Ls2中的电流iLS1为x5；电容C2p两端的电压Uc2p为x6；电容C2s两端的电压Uc2s为x7；发射线圈自电感L2中的电流为iL2为x8；发射线圈自电感L3中的电流为iL3为x9；电容C3s两端的电压Uc3s为x10；电容C3p两端的电压Uc3p为x11；电感Ls3中的电流iLs3为x12；电容C1两端的电压Uc1为x13；电感L中的电流iL为x14；电容C2两端的电压Uc2为x15；
S4：晶闸管导通，整流器输入电压为正时，基于定义的状态变量，建立如下状态空间方程组：
其中，u为高频逆变电源的输出电压，D＝L1L2L3-L2M13 2-L1M23 2。进一步转换成矩阵形式，将微分方程形式的系统模型定义为状态空间Son1(t)＝[Aon1(t)，Bon1(t)，Con1(t)，Don1(t)]，其中Aon1(t)、Bon1(t)、Con1(t)、Don1(t)分别为晶闸管导通时整流器输入电压为正时的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵和前馈矩阵；
Con1(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Don1(t)＝0
S5：同理，列写晶闸管导通并且整流器输入电压为负时的状态空间矩阵，并定义为Son2(t)＝[Aon2(t)，Bon2(t)，Con2(t)，Don2(t)]；
Con2(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Don2(t)＝0
S6：晶闸管断开时，建立如下述公式所示的状态空间方程，并定义为Soff(t)＝[Aoff(t)，Boff(t)，Coff(t)，Doff(t)]；
Boff＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]T
Coff＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Doff＝0
S7：构建电动汽车动态无线充电系统整体的状态空间模型为S(t)＝[As(t)，Bs(t)，Cs(t)，Ds(t)]，，利用状态空间平均法将晶闸管导通时的系统模型和关断时的的系统模型进行平均处理，导通时的系统模型由整流器输入电压为正时的模型和为负时的模型平均所得，计算过程如下式所示：
Bs(t)＝[d/Ls1 0 0 0 d/Ls2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]T
Cs(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Ds(t)＝0
d为DC/DC变换器的占空比，Son(t)＝Son1(t)/2+Son2(t)/2；
S8：对步骤S1-S7构建的电动汽车动态无线充电系统模型进行仿真，得到负载的输出电压和输出功率，分析模型的运行特性。
当晶闸管占空比取值不同时，模型输出曲线如图4所示，输出功率曲线如图5所示。分别取输出电压均方差、平均输出功率和平均传输效率为系统性能指标，当晶闸管占空比取值不同时各性能指标的结果如图6所示。

Claims (4)

1.一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法，其特征在于，所述电动汽车动态无线充电系统包括地面无线电能发送装置和车载无线电能接收装置；所述地面无线电能发送装置包括高频逆变电源、发送端LCC阻抗匹配网络和发送线圈；所述车载无线电能接收装置包括接收线圈、接收端LCC阻抗匹配网络、全桥整流器、整流电容和DC/DC变换器；所述发送端LCC阻抗匹配网络和接收端LCC阻抗匹配网络均由电容、谐振电容、谐振电感构成；该方法包括以下步骤：
S1：按照无线充电系统的电路拓扑图建立系统等效电路模型；定义模型输入Us1为电能发送装置1的高频电源输出电压；Us2为电能发送装置2的高频电源输出电压；模型输出为负载电压；Ls1，C1s，C1p为电能发送装置1的阻抗匹配网络；Ls2，C2s，C2p为电能发送装置2的阻抗匹配网络；Ls3，C3s，C3p为电能接收装置的阻抗匹配网络；L1，L2，L3分别为两个发送线圈和接收线圈的自电感；M13，M23分别为接收线圈与两个发送装置的发送线圈之间的互感；C1为整流器输出端的滤波电容；L和C2分别为DC/DC变换器的电感和电容；RL为负载；
S2：基于建立的等效电路模型，求得系统的状态空间模型：定义电感Ls1中的电流iLS1为x1；电容C1p两端的电压Uc1p为x2；电容C1s两端的电压Uc1s为x3；发射线圈自电感L1中的电流为iL1为x4；电感Ls2中的电流iLS1为x5；电容C2p两端的电压Uc2p为x6；电容C2s两端的电压Uc2s为x7；发射线圈自电感L2中的电流为iL2为x8；发射线圈自电感L3中的电流为iL3为x9；电容C3s两端的电压Uc3s为x10；电容C3p两端的电压Uc3p为x11；电感Ls3中的电流iLs3为x12；电容C1两端的电压Uc1为x13；电感L中的电流iL为x14；电容C2两端的电压Uc2为x15；
S3：晶闸管导通，整流器输入电压为正时，基于定义的状态变量，建立如下状态空间方程组：
其中，u为高频逆变电源的输出电压，D＝L1L2L3-L2M13 2-L1M23 2；
进一步转换成矩阵形式，将微分方程形式的系统模型定义为状态空间Son1(t)＝[Aon1(t)，Bon1(t)，Con1(t)，Don1(t)]，其中Aon1(t)、Bon1(t)、Con1(t)、Don1(t)分别为晶闸管导通时整流器输入电压为正时的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵和前馈矩阵；
Con1(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Don1(t)＝0
S4：建立晶闸管导通并且整流器输入电压为负时的状态空间矩阵，并定义为Son2(t)＝[Aon2(t)，Bon2(t)，Con2(t)，Don2(t)]；
Con2(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Don2(t)＝0
S5：晶闸管断开时，建立如下述公式所示的状态空间方程，并定义为Soff(t)＝[Aoff(t)，Boff(t)，Coff(t)，Doff(t)]；
Boff＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]T
Coff＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Doff＝0
S6：构建电动汽车动态无线充电系统整体的状态空间模型为S(t)＝[As(t)，Bs(t)，Cs(t)，Ds(t)]，利用状态空间平均法将晶闸管导通时的系统模型和关断时的的系统模型进行平均处理，导通时的系统模型由整流器输入电压为正时的模型和为负时的模型平均所得，计算过程如下式所示：
Bs(t)＝[d/Ls1 0 0 0 d/Ls2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0]T
Cs(t)＝[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1]
Ds(t)＝0
d为DC/DC变换器的占空比，Son(t)＝Son1(t)/2+Son2(t)/2。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法，其特征在于，所述电能发送装置和电能接收装置采用磁耦合谐振式无线电能传输原理实现电能传输，是基于电磁感应原理，结合现代电力电子技术和控制理论的新型电能传输模式，即当激励频率为谐振电路固有频率时，谐振电路发生强耦合谐振，谐振内电流幅值是非谐振时的数倍，谐振电路周围磁场强度加强，可在较大传输距离下实现较高效率的无线电能传输。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法，其特征在于，该方法先分别考虑晶闸管导通和关断时的系统模型，然后在晶闸管导通和关断的周期内，再分别考虑整流器的整流方向，针对不同的整流电流方向再建立相应的系统模型，即先建立不同情况下系统的模型，然后通过状态空间平均法建立系统的整体模型。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线充电系统的建模方法，其特征在于，对步骤S1-S6构建的电动汽车动态无线充电系统模型进行仿真，得到负载的输出电压和输出功率，分析模型的运行特性。
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