CN110126648B - 电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法 - Google Patents

电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法 Download PDF

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Abstract

电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法，通过导线连接无线充电拓扑电路单元和控制电路单元，控制电路单元包括恒压控制环和调频调谐控制环，变频控制器每次调整逆变器的工作频率后，恒压控制环稳定逆变器输出电压后，以实时检测的Buck输出电流值作为反馈量，然后送入直流电流比较模块，变频控制器根据直流电流比较模块的比较结果控制频率输出，调节逆变器的工作频率，通过不断跟踪直流变换器输出电流的最大值，使系统一次侧回路恢复并保持谐振状态；本发明公开的方法通过不断跟踪直流变换器输出电流的最大值，使系统一次侧回路恢复并保持谐振状态，降低一次侧电源的容量需求，进而提高失谐条件下的传输效率。

Description

电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，具体涉及电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法。
背景技术
现有传统的电动汽车充电采用接触式充电，但该方式存在诸多缺点，如充电桩占用停车场面积经济性差、存在倒车撞毁充电桩的风险、由于插头暴露存在安全隐患及充电完成后用户忘记拔出充电枪而直接拽断充电线等问题。为了解决插拔式充电存在的弊端，采用无线充电技术进行充电；其无线充电技术具有一次侧与二次侧物理隔离、无需插拔充电枪、不受恶劣的环境影响、安全方便可靠等优点。然而，在电动汽车无线充电过程中含有磁心的电磁耦合机构气隙间距变化、电磁干扰引起磁路改变、发送端与接收端漏感参数漂移引起补偿网络原边失谐，原边产生巨大的无功损耗，增加逆变器输出交流源的容量，大大降低装置的传输功率和效率。
为解决此问题，需要对系统进行实时的动态调谐，使得电动汽车无线充电(EV-WPT)系统恢复谐振状态，提高传输效率。现有的动态调谐方式主要有以下三种：通过电容阵列的方式实现系统谐振，但其调节范围由于受到串、并联支路数量的影响，只能在有限个离散电容值点上进行调节；利用浮频调谐控制方法实现EV-WPT系统谐振，提高系统传输有功功率；采用相控电感电路的方式实现发送或接收端电路谐振，保证系统的最大效率传输，但需要对发送端电流与电压相位关系进行测量。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法，解决了现有无线充电系统漏感参数非线性变化条件下引起的失谐问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，
电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法，采用上述的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统，包括如下步骤：
步骤1，在变频控制器中设置逆变器初始频率f0，恒压控制环使逆变器模块3输出电压稳定后，检测当前Buck电路输出电流Idc；
步骤2，在初始频率f0的基础上，变频控制器设定逆变器工作频率的调节量Δf，输出一个较小的工作频率f1，f1＝f0-Δf，逆变器输出电压与输出电流不同相，此时松耦合变压器补偿网络电路一次侧回路呈不谐振状态，恒压控制环控制逆变器模块输出电压稳定后，检测工作频率f1下的Buck调压电路输出电流的Idc1；
步骤3，在初始频率f0的基础上，变频控制器设定逆变器工作频率的调节量Δf，再得到一个较大的工作频率f2，f2＝f0+Δf，在一次侧回路电压稳定后，检测工作频率f2下的Buck调压电路输出电流Idc2；
步骤4，比较Idc、Idc1与Idc2的大小，变频控制器根据直流电流比较模块的结果控制频率输出，第二PWM脉冲发生器输出脉冲控制开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的通断，经多次循环调节，最终使Buck调压电路输出电流最大，同时一次侧回路达到谐振状态。
步骤4的具体过程如下：
若直流电流比较模块11比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc最大，则此时跟踪到了Buck调压电路输出电流最大值，控制过程结束，补偿网络一次侧回路处于谐振状态；
若直流电流比较模块比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc1最大，则此时Buck调压电路输出电流未必跟踪到最大值，需要继续进行调频调谐过程，此时将当前的逆变器工作频率f1作为初始频率f0，即令f0＝f1，进入下次控制循环；
若直流电流比较模块比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc和Idc1都非最大值，Idc2为最大，则此时Buck调压电路输出电流同样未必跟踪到最大值，需要继续进行调频调谐过程，此时将当前的逆变器工作频率f2作为初始频率f0，即令f0＝f2，进入下次控制循环。
本发明的有益效果是：电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统和方法，解决了在电动汽车无线充电过程中含有磁心的电磁耦合机构气隙间距变化、电磁干扰引起磁路改变、发送端与接收端自感及漏感参数漂移引起的补偿网络原边失谐问题，通过实时测量逆变器直流侧电流平均值，以实时检测的Buck变换器输出电流值作为反馈量，调节逆变器的工作频率，通过不断跟踪直流变换器输出电流的最大值，使系统一次侧回路恢复并保持谐振状态。本发明的系统和方法能够有效地调节并恢复一次侧回路的谐振状态，降低一次侧电源的容量需求，进而提高失谐条件下的传输效率。
附图说明
图1是本发明的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统的结构图。
图2是本发明的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法的流程示意图。
图中，1.原边整流模块，2.Buck调压电路，3.逆变器模块，4.松耦合变压器补偿网络电路，5.副边整流模块，6.电压检测模块，7.电压转换模块，8.计算模块，9.PI控制器，10.第一PWM脉冲发生器，11.直流电流比较模块，12.电流检测模块，13.变频控制器，14.第二PWM脉冲发生器。
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。
参见图1，本发明的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统，包括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非接触的变压器原边电路和松耦合变压器补偿网络电路4，变压器原边电路通过松耦合变压器补偿网络电路4连接变压器副边电路，变压器副边电路装载在电动汽车车体上，松耦合变压器补偿网络电路4用于补偿漏感实现最大输出效率与传输效率；
控制电路单元包括变压器原边控制电路，变压器原边控制电路通过导线连接变压器原边电路；
所述的变压器原边控制电路包括恒压控制环和调频调谐控制环，恒压控制环包括与松耦合变压器补偿网络电路4输入端连接的电压检测模块6，电压检测模块6依次通过导线连接电压转换模块7、计算模块8、PI控制器9和第一PWM脉冲发生器10，第一PWM脉冲发生器10输出连接变压器原边电路；调频调谐控制环包括与变压器原边电路连接的电流检测模块12，电流检测模块12依次连接直流电流比较模块11、变频控制器13和第二PWM脉冲发生器14，第二PWM脉冲发生器14输出端连接逆变器模块3中四个开关管S1、S2、S3、S4的栅极。
所述的变压器原边电路包括与电源连接的原边整流模块1，原边整流模块1通过导线连接有滤波电容Cf1，滤波电容Cf1通过导线依次连接有Buck调压电路2和逆变器模块3，逆变器模块3与松耦合变压器补偿网络电路4的输入端连接。
所述的原边整流模块1包括二极管D1，二极管D1的正极连接电源的一端，二极管D1的负极连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极连接二极管D2的正极，二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，电源的另一端分别连接二极管D3的正极和二极管D4的负极；二极管D1和二极管D4组成正半周回路；二极管D2和二极管D3组成负半周回路。
所述的Buck调压电路2包括开关管S5，开关管S5的集电极与滤波电容Cf1的一端连接，开关管S5的发射极连接有续流二极管VD1的负极和储能电感Lin的一端，储能电感Lin的另一端连接滤波电容Cf2，滤波电容Cf2连接续流二极管VD1的正极，续流二极管VD1的正极与滤波电容Cf1的另一端连接。
开关管S5选用IGBT开关管。
所述的逆变器模块3包括开关管S1，开关管S1的漏级分别连接储能电感Lin、滤波电容Cf2和开关管S3的漏级，开关管S1的源级连接开关管S2的漏级，开关管S2的源级分别与滤波电容Cf2、开关管S4的源级连接，开关管S4的漏级与开关管S3的源级连接；开关管S1和开关管S4组成正半周回路；开关管S2和开关管S3组成负半周回路。
开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4均选用MOS开关管。
所述的变压器副边电路包括副边整流模块5，副边整流模块5通过导线依次连接有滤波电容Cf3和电池模块ubat，副边整流模块5与松耦合变压器补偿网络电路4的输出端连接；
所述的副边整流模块5包括二极管D5，二极管D5的负极连接二极管D7的负极，二极管D7的正极连接二极管D8的负极，二极管D8的正极连接二极管D6的正极，二极管D6的负极连接二极管D5的正极；二极管D5和二极管D8组成正半周回路；二极管D6和二极管D7组成负半周回路。
所述的松耦合变压器补偿网络电路4包括原边补偿电容C1和副边补偿电容C2；
原边补偿电容C1通过导线连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接松耦合变压器原边电感L1；副边补偿电容C2一端通过导线连接有松耦合变压器副边电感L2的一端，副边补偿电容C2的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接副边补偿电容C3一端，副边补偿电容C3连接松耦合变压器副边电感L2的另一端，副边补偿电容C3与二极管D5的正极连接，副边补偿电容C3与二极管D7的正极和二极管D8的负极连接；
所述的松耦合变压器副边电感L2与二极管D7的正极和二极管D8的负极连接；
松耦合变压器原边电感L1与开关管S3的漏级和开关管S4的源级连接；原边补偿电容C1分别与开关管S1的漏级和开关管S2的源级连接。
所述的电流检测模块2通过导线与滤波电容Cf2的一端和开关管S2的源级连接；
第一PWM脉冲发生器10与开关管S5的栅极连接，用于控制开关管S5的开通和关断。
第二PWM脉冲发生器14与开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的栅极连接，用于控制开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的开通和关断。
本发明的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统，原边整流模块1、副边整流模块5的作用均是为了将交流电转换成直流电，逆变器模块3是为了实现直流电与高频交流电的转换；原边补偿电容C1、副边补偿电容C2、副边补偿电容C3是为了补偿松耦合变压器补偿网络电路的漏感实现最大输出效率与传输效率；滤波电容Cf1、滤波电容Cf2、滤波电容Cf3为了滤除电路中所含的谐波，实现高质量稳定输出。
本发明的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统中控制电路单元包括恒压控制环和调频调谐控制环；
恒压控制环：
电压检测模块6用于检测逆变器模块3的输出电压uAB，即为松耦合变压器补偿网络电路4输入电压uAB；电压uAB通过转换模块7转换成有效值UAB，PI控制器9内设有给定电压UAB-ref，PI控制器9接收到电压UAB，并将电压UAB-ref与UAB进行比较计算；PI控制器9将电压的偏差信号转换为控制信号Vm，Vm通过第一PWM脉冲发生器10产生脉冲控制信号控制开关管S5的开通和关断，达到控制Buck调压电路2输出电压Udc和逆变器模块3输出电压UAB稳定的目的。
逆变器模块3输出电压有效值UAB与Buck调压电路2输出电压Udc的关系如式(1)所示：
Figure BDA0002039638390000071
调频调谐控制环：
电流检测模块12用于将每次控制循环调节三次逆变器模块3工作频率后，检测Buck调压电路2的输出直流电流的平均值Idc、Idc1、Idc2，然后送入直流电流比较模块11，变频控制器13根据直流电流比较模块11中的比较结果输出控制信号控制第二PWM脉冲发生器产生控制脉冲控制开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的开通和关断，达到调节逆变器模块3工作频率，进而达到谐振调节的目的。
参见图2，本发明的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，在变频控制器中设置逆变器初始频率f0，恒压控制环使逆变器模块3输出电压稳定后，检测当前Buck电路2输出电流Idc；
步骤2，在初始频率f0的基础上，变频控制器设定逆变器工作频率的调节量Δf，输出一个较小的工作频率f1，f1＝f0-Δf，逆变器输出电压输出电流不同相，此时松耦合变压器补偿网络电路4一次侧回路呈不谐振状态，恒压控制环控制逆变器模块3输出电压稳定后，检测工作频率f1下的Buck调压电路2输出电流的Idc1；
步骤3，在初始频率f0的基础上，变频控制器设定逆变器工作频率的调节量Δf，再得到一个较大的工作频率f2，f2＝f0+Δf，在一次侧回路电压稳定后，检测工作频率f2下的Buck调压电路2输出电流Idc2；
步骤4，比较Idc、Idc1与Idc2的大小，变频控制器根据直流电流比较模块11的结果控制频率输出，脉冲产生器输出脉冲控制逆变器模块3中开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的通断，经多次循环调节，最终使Buck调压电路2输出电流最大，同时一次侧回路达到谐振状态；
步骤4的具体过程如下：
若直流电流比较模块11比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc最大，则此时跟踪到了Buck调压电路2输出电流最大值，控制过程结束，补偿网络一次侧回路处于谐振状态；
若直流电流比较模块比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc1最大，则此时Buck调压电路12输出电流未必跟踪到最大值，需要继续进行调频调谐过程，此时将当前的逆变器工作频率f1作为初始频率f0，即令f0＝f1，进入下次控制循环；
若直流电流比较模块比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc和Idc1都非最大值，Idc2为最大，则此时Buck调压电路输出电流同样未必跟踪到最大值，需要继续进行调频调谐过程，此时将当前的逆变器工作频率f2作为初始频率f0，即令f0＝f2，进入下次控制循环。
当直流电流比较模块11比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc最大，则此时跟踪到了Buck调压电路2输出电流最大值，控制过程结束，补偿网络一次侧回路处于谐振状态；具体原理如下：
如图所示，补偿网络一次侧回路处于谐振状态时，补偿网络输入相角为0，则
Figure BDA0002039638390000093
(补偿网络的输入相角的余弦为
Figure BDA0002039638390000094
Figure BDA0002039638390000095
为补偿网络的输入相角)。
电动汽车无线充电系统中，在基波频率时，电路的品质因数Q较大，此时，发送端逆变器输出的复功率Sp为
Figure BDA0002039638390000091
式(2)中，*为取共轭运算；IP为逆变器输出电流的有效值；
Figure BDA0002039638390000092
为补偿网络的输入相角。
Buck调压电路输出平均功率Pdc可表示为
Pdc＝UdcIdc (3)
当系统处于谐振时，逆变器输出的复功率等于逆变器输出的有功功率，此时，在不考虑逆变器自身功率消耗时，Buck调压电路输出平均功率等于逆变器输出的有功功率Re(Sp)，即
Pdc＝Re(SP) (4)
在只考虑逆变器输出基波有效值时，可以得到逆变器输出电压有效值与Buck调压电路输出电压的关系
Figure BDA0002039638390000101
Buck调压电路输出电流Idc与逆变器输出电流的有效值Ip的关系为
Figure BDA0002039638390000102
当补偿网络一次侧回路谐振时，也就是
Figure BDA0002039638390000103
为1时，在一次侧回路电压有效值UAB恒定的条件下，逆变器输出电流有效值IP最大，由0.9Udc＝UP的关系可知此时Buck调压电路输出电流Idc也为最大。

Claims (2)

1.电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在变频控制器中设置逆变器初始频率f0，恒压控制环使逆变器模块(3)输出电压稳定后，检测当前Buck电路(2)输出电流Idc；
步骤2，在初始频率f0的基础上，变频控制器设定逆变器工作频率的调节量Δf，输出一个较小的工作频率f1，f1＝f0-Δf，逆变器输出电压与输出电流不同相，此时松耦合变压器补偿网络电路(4)一次侧回路呈不谐振状态，恒压控制环控制所述逆变器模块(3)输出电压稳定后，检测工作频率f1下的Buck调压电路(2)输出电流的Idc1；
步骤3，在初始频率f0的基础上，变频控制器设定逆变器工作频率的调节量Δf，再得到一个较大的工作频率f2，f2＝f0+Δf，在一次侧回路电压稳定后，检测工作频率f2下的Buck调压电路(2)输出电流Idc2；
步骤4，比较Idc、Idc1与Idc2的大小，变频控制器根据直流电流比较模块(11)的结果控制频率输出，脉冲发生器输出脉冲控制逆变器模块(3)中开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的通断，经多次循环调节，最终使Buck调压电路(2)输出电流最大，同时一次侧回路达到谐振状态。
2.如权利要求1所述的电动汽车无线充电最大电流跟踪的自寻优调谐控制方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程如下：
若直流电流比较模块(11)比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc最大，则此时跟踪到了Buck调压电路(2)输出电流最大值，控制过程结束，补偿网络一次侧回路处于谐振状态；
若直流电流比较模块比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc1最大，则此时Buck调压电路(12)输出电流未必跟踪到最大值，需要继续进行调频调谐过程，此时将当前的逆变器工作频率f1作为初始频率f0，即令f0＝f1，进入下次控制循环；
若直流电流比较模块比较Idc、Idc1与Idc2，如果Idc和Idc1都非最大值，Idc2为最大，则此时Buck调压电路输出电流同样未必跟踪到最大值，需要继续进行调频调谐过程，此时将当前的逆变器工作频率f2作为初始频率f0，即令f0＝f2，进入下次控制循环。
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