CN112319254B - 一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统，包括等效电压源，所述等效电压源是电动汽车无线充电系统的副边整流器及其之前的结构的等效电路，其通过副边DC‑DC变换器连接负载，还包括副边控制系统，所述副边控制系统包括鲁棒性控制器，人机交互芯片和采样数据调理芯片，所述人机交互芯片和采样数据调理芯片分别与鲁棒性控制器实施数据交互。本发明的有益效果是，有效的降低外界因素干扰，对于各种充电电池的适应性强。

Description

一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制 系统
技术领域
本发明涉及无线充电的控制技术领域，特别是一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless powertransfer，MCR-WPT)因其传输方式脱离实际物理连接，供电灵活，可靠性高，无电火花产生，已应用在AGV小车、电动汽车、机器人等领域。其供电方案一般为无线充电装置先给设备自备储能电池充电，再由电池为设备提供电能。对于电动汽车无线充电，典型的电动汽车无线电能传输系统基本结构包括电力电子变换器、谐振网络、发射线圈、接收线圈、整流滤波和电池负载等部分，而电力电子变换器包括交流变换器和直流变换器。
典型系统的工作原理通常为电网经整流后，经过DC-DC环节调压，由逆变环节转换成高频交流电并通过传输线圈输送到接收端，再经布控整流、DC-DC直流变换、负载匹配及滤波等环节给车载电池充电，如图3所示。
由于其应用场合比较复杂，系统参数容易受到环境影响，且在无线充电过程中，电池等效电阻会发生变化，另外受用户停车位置的影响，原、副边线圈的耦合系数也很容易偏移设定值，因此有必要对系统进行优化与控制，保证系统能够减小干扰的影响，从而稳定运行于最佳状态，实现动力电池的优化充电。
目前充电控制系统中应用的比较多的仍然是常规线性PID控制方法，但是这种控制过于依赖具体的控制模型，对于无线电能传输的复杂系统控制效果不太理想。而在实际中，由于外界干扰和动力电池负载变化等不确定性，以及系统谐波、寄生参数及外界干扰等影响因素的存在，使得无线电能传输系统具有强非线性，因此对此非线性系统进行鲁棒性控制，以提高系统的动态响应性能具有意义。
此外，虽然美国汽车工程师协会(Society of Automotive Engineers,SAE)第J2954号电动汽车非接触供电标准中对不同无线充电系统功率等级制定了生产标准，但是针对电动汽车动力电池组的充电方式还是存在多样性的，除恒流充电、恒压充电等传统的充电方式外，还存在恒流/恒压充电、恒定产热充电、多阶恒流充电等优化充电方式。而现阶段的电动汽车无线充电系统只能实现单一形式的优化充电，系统适用性和兼容性不够。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统。
一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统，包括等效电压源，所述等效电压源是电动汽车无线充电系统的副边整流器及其之前的结构的等效电路，其通过副边DC-DC变换器连接负载。
还包括副边控制系统，所述副边控制系统包括鲁棒性控制器，人机交互芯片和采样数据调理芯片，所述人机交互芯片和采样数据调理芯片分别与鲁棒性控制器实施数据交互；
所述人机交互芯片分别与显示器和设置面板进行信息交互，所述人机交互芯片接收设置面板发出的信号并传输给鲁棒性控制器，所述人机交互芯片接收鲁棒性控制器发出的数据信息将其显示在显示器上；
所述鲁棒性控制器向副边DC-DC变换器发送PWM信号，所述鲁棒性控制器通过PWM信号调整副边DC-DC变换器的IGBT占空比，进而调整负载的充电方式；
所述数据采集调理芯片通过数据采集电路采集副边DC-DC变换器输出的电压信号和电流信号，并将采集到的电压信号和电流信号经过算法滤波后，传输给鲁棒性控制器，所述鲁棒性控制器根据数据采集调理芯片输入的采集数据调整输出的PWM信号，进而调整副边DC-DC变换器的输出电压和电流。
所述人机交互芯片为DSP芯片。
所述数据采样调理芯片采用FPGA芯片。
所述数据采集电路采用霍尔互感器和过零比较器，通过霍尔传感器检测并输出电压信号给过零比较器，过零比较器对接收的电压信号进行比对，如果输入的电压信号高于过零比较器设定的阈值，则过零比较器就输出高电平信号，反之输出低电平信号。
所述副边DC-DC变换器采用Buck变换器。
所述负载为动力电池。
有益效果
利用本发明的技术方案制作的一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统，其具有如下优势：
1、本控制系统可以减小由于外界条件变化和动力电池负载变化所造成的干扰，有效的提升系统控制的动态性能；
2、本控制系统只需根据充电需求，例如充电功率等级和充电时长等条件，来选择合适的充电方式，实现动力电池优化充电，提升系统兼容性。
3、本控制系统控制结构简单可靠、针对各种电池的充电需求具有较强的适应性。
附图说明
图1是本发明所述一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统的结构框图；
图2是本发明所述采样数据调理与鲁棒性控制的原理示意图；
图3是本发明所述典型的电动汽车无线电能传输系统原理图；
图中，1、等效电压源；2、负载；3、鲁棒性控制器；4、人机交互芯片；5、采样数据调理芯片；6、副边DC-DC变换器；7、PWM信号；8、显示器；9、设置面板；10、数据采集电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-3所示；
本申请的创造点在于，包括副边控制系统，所述副边控制系统包括鲁棒性控制器3，人机交互芯片4和采样数据调理芯片5，所述人机交互芯片和采样数据调理芯片分别与鲁棒性控制器实施数据交互；
本申请的创造点还在于，将人机交互芯片分别与显示器8和设置面板9进行信息交互，所述人机交互芯片接收设置面板发出的信号并传输给鲁棒性控制器，所述人机交互芯片接收鲁棒性控制器发出的数据信息将其显示在显示器上；
本申请的创造点还在于，鲁棒性控制器向副边DC-DC变换器发送PWM信号7，所述鲁棒性控制器通过PWM信号调整副边DC-DC变换器的IGBT占空比，进而调整负载的充电方式；
本申请的创造点还在于，数据采集调理芯片通过数据采集电路10采集副边DC-DC变换器输出的电压信号和电流信号，并将采集到的电压信号和电流信号经过算法滤波后，传输给鲁棒性控制器，所述鲁棒性控制器根据数据采集调理芯片输入的采集数据调整输出的PWM信号，进而调整副边DC-DC变换器的输出电压和电流。
本技术方案采用的电子器件均采用现有产品，本申请的技术方案对于上述电子器件的结构没有特殊要求和改变，上述电子器件均属于常规电子设备；
在本技术方案实施的过程中，本领域人员需要将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。
本申请的创造点还在于，所述人机交互芯片为DSP芯片；所述数据采样调理芯片采用FPGA芯片；所述数据采集电路采用霍尔互感器和过零比较器；所述副边DC-DC变换器采用Buck变换器；所述负载为动力电池。
本申请的改进点在于，将副边整流器及其之前的结构等效为带有扰动的直流电压源，基于副边DC-DC变换器(本系统采用Buck变换器)的非线性模型，建立具有扰动的系统。基于数据采集电路中的卡尔曼滤波器，来减小系统采样延迟带来的误差与影响；将经过卡尔曼滤波的电感电流、负载电压的采样信号输入鲁棒性控制器，鲁棒性控制器输出PWM信号来调整和改变Buck变换器的IGBT占空比，从而实现跟随充电电流曲线的恒流或恒压充电。
本申请技术方案在实施过程中，采用DSP芯片作为人机交互处理芯片，实现充电方式设置和动力电池充电状态实时显示。拟采用FPGA芯片实现控制器和采样数据调理功能，将经过数据采集电路中卡尔曼滤波器后的采样信号输入鲁棒性控制器(也就是H∞非线性控制器)，鲁棒性控制器根据充电方式输出PWM信号，改变Buck变换器的IGBT占空比，从而实现跟随充电电流曲线的优化充电。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统，包括等效电压源(1)，所述等效电压源是电动汽车无线充电系统的副边整流器及其之前的结构的等效电路，其通过副边DC-DC变换器(6)连接负载(2)，其特征在于，
还包括副边控制系统，所述副边控制系统包括鲁棒性控制器(3)，人机交互芯片(4)和采样数据调理芯片(5)，所述人机交互芯片和采样数据调理芯片分别与鲁棒性控制器实施数据交互；
所述人机交互芯片分别与显示器(8)和设置面板(9)进行信息交互，所述人机交互芯片接收设置面板发出的信号并传输给鲁棒性控制器，所述人机交互芯片接收鲁棒性控制器发出的数据信息将其显示在显示器上；
所述鲁棒性控制器向副边DC-DC变换器发送PWM信号(7)，所述鲁棒性控制器通过PWM信号调整副边DC-DC变换器的IGBT占空比，进而调整负载的充电方式，所述副边DC-DC变换器采用Buck变换器；
所述采样 数据调理芯片通过数据采集电路(10)采集副边DC-DC变换器输出的电压信号和电流信号，并将采集到的电压信号和电流信号经过算法滤波后，传输给鲁棒性控制器，所述鲁棒性控制器根据采样 数据调理芯片输入的采集数据调整输出的PWM信号，进而调整副边DC-DC变换器的输出电压和电流；
所述采样 数据调理芯片采用FPGA芯片，所述数据采集电路采用霍尔传感器和过零比较器；
采用FPGA芯片实现控制器和采样数据调理功能，将经过数据采集电路中卡尔曼滤波器后的采样信号输入鲁棒性控制器也就是H∞非线性控制器，鲁棒性控制器根据充电方式输出PWM信号，改变Buck变换器的IGBT占空比，从而实现跟随充电电流曲线的优化充电。
2.根据权利要求1所述的一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统，其特征在于，所述人机交互芯片为DSP芯片。
3.根据权利要求1所述的一种可选择充电方式的电动汽车无线充电副边鲁棒性控制系统，其特征在于，所述负载为动力电池。
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