電動汽車無線充電恒輸出控制策略

蔡 立， 龔國慶， 李 盈

（北京信息科技大學機電工程學院， 北京 100192）

1 引言

自21世紀初電動汽車進入了汽車市場后，電動汽車在中國汽車市場中所占的比重逐年提升。2019～2020年《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》等標準的實施將會淘汰大量的燃油車，電動汽車的占比將會進一步提升，迅速占領汽車銷售市場［1］。

與無線充電相比，有線充電存在許多不足：有線充電需要使用線纜將電動汽車與充電樁相連。在此過程中，線纜長時間裸露，容易造成線纜的老化；充電槍頻繁插拔，容易造成接口的磨損和電火花；并且除車輛停車位外，充電樁需要較大的占地面積，造成土地浪費［2］。

電動汽車無線充電主要采用電磁感應和磁耦合諧振兩種方式［3］。電磁感應技術因結構簡單，具有較大市場；磁耦合無線充電的優點在于傳輸距離較大、能量損失較小、對位置敏感度較低［4］。目前無線充電存在以下幾個研究方向，如：補償拓撲電路分析、線圈設計技術、功效優化、控制方法和安全問題等［5］。

2 電動汽車無線充電系統基本結構設計

無線充電系統基本結構如圖1所示。根據SAE J2954、NBT 33001-2010、GBT 31466-2015等無線充電系統相關設計規定［6-8］，無線充電系統設計要求見表1。

表1 無線充電系統設計要求

根據系統基本結構和系統設計要求對無線充電系統進行設計。

3 無線充電系統設計

3.1 耦合機構設計

在ANSYS/Maxwell中建立了耦合線圈模型 （圖2）。該線圈不僅能夠有效傳輸能量，還使用了鐵氧體引導和鋁板，屏蔽了對人體有害的發散磁場。其磁場如圖3所示。

圖2 耦合線圈模型

圖3 耦合線圈磁場

耦合線圈參數為：互感：M=12.55μH；耦合系數：k=0.172；自感：LT=LR=L=72.94μH；內阻：RT=RR=R=0.018Ω。

3.2 耦合拓撲分析

無線充電系統具有4種基本補償拓撲。本文選擇了S-S型補償拓撲對其進行分析，其拓撲結構如圖4所示。

圖4 S-S型補償拓撲

由基爾霍夫定律可得S-S型補償拓撲原、副邊電路如下：

對耦合拓撲進行系統無功全補償，即假設系統處于諧振狀態，S-S型補償拓撲補償電容依據公式 （2） 進行選擇，原、副邊補償電容相等。

此時補償電容C=48nF。

對公式（1） 進行整理，耦合機構輸出功率、輸出電流、輸入電壓為：

3.3 高頻逆變器設計

高頻逆變器的種類有半橋式、全橋式、推挽式和E類功率放大器等形式。其中全橋逆變器因結構簡單、電路性能優良，適用于大部分開關電源電路。因此，本文選擇全橋高頻逆變電路，并在MATLAB/Simulink中建立了等效模型，其結構如圖5所示，該逆變器使用SPWM進行控制。

圖5 高頻逆變電路等效模型

對該模型進行仿真，其結果如圖6所示。從圖6中可看到，原、副邊耦合線圈和補償電容在電路中被等效為電感、電容和電阻，電路在經過一段時間后能夠穩定傳輸能量。通過系統輸入輸出電壓電流得到系統工作效率為93.8%。

圖6 高頻逆變電路仿真結果

4 無線充電系統恒輸出控制策略

4.1 PID控制方法

PID是最早發展起來的控制策略之一，由于其結構簡單、魯棒性好、可靠性高、調整方便，被廣泛應用于工業控制過程中。在MATLAB/Simulink連續控制系統中，PID控制規律如圖7所示。

圖7 PID控制框圖

參見圖7，PID控制器的輸出為：

式中：誤差e（t）——PID的輸入信號；r（t）——被控系統輸出目標值；y（t）——被控系統實際輸出值，e（t）=r（t）-y（t）；u（t）——PID的輸出信號；Kp、Ki、Kd——比例、積分、微分增益系數。

系統初始化后，系統的實際輸出值y（t）與給定目標值r（t）通過比較器進行比較，將誤差e（t）輸入到PID控制器中，PID控制器將會把誤差e（t）代入到式 （4） 中進行計算，然后給執行器輸入一個控制信號u（t），從而對系統實際輸出值y（t）進行調整，再將得到的系統實際輸出值y（t）再一次輸入到比較器中與目標值r（t）進行比較，如此循環往復。

4.2 控制系統建模

在MATLAB/Simulink建立恒輸出控制系統模型，如圖8所示。

圖8 恒輸出控制系統模型

該模型中具有3個PID控制器，分別為恒流、恒功率、恒壓控制器；使用6個開關控制PID接入系統的時機。PID控制器通過接收系統目標值和實際輸出值間的誤差，控制SPWM調制度D的大小實現耦合機構輸入電壓的控制，從而控制系統輸出電壓、電流和功率的變化。

系統仿真時長為4ms，共分為4個階段：0～1ms為系統初始化階段，此時無PID控制器參與工作，系統自主運行；1～2ms為恒流控制階段，此時恒流PID控制器對系統輸出電流進行控制；2～3ms為恒功率控制階段，此時恒功率PID控制器對系統輸出功率進行控制；3～4ms為恒壓控制階段，此時恒壓PID控制器對系統輸出電壓進行控制。PID參數設置見表2。

根據系統設計要求可得，系統在額定情況下，其輸出電壓為220V、輸出功率為3700W、輸出電流為16.9A、等效電阻為13.1Ω。

表2 三種PID控制器增益系數

4.3 控制系統仿真分析

無線充電系統充電是一個動態變化的過程，比如：電動汽車每一次充電，其線圈相對位置都存在變化，線圈間互感必然改變；蓄電池在充電過程中，隨著SOC的變化，蓄電池等效電阻也在發生變化。恒輸出控制系統的目的就是在電路參數發生改變時，使系統輸出保持穩定，保護充電系統的安全。

對系統標準狀態進行仿真，其結果如圖9所示。

圖9 系統標準狀態輸出結果

因為本文系統是按標準狀態進行設計的，而系統輸出也是按標準準則進行設定的。因此，在標準狀態下，由PID控制系統控制得到的系統輸出應該和系統不控狀態下的系統輸出是相等的。所以，4個時間段的輸出值應處于同一水平線。

根據SAE J2594偏移測試指導意見，假設耦合線圈水平偏移距離為±10cm，垂直偏移距離為±2cm，由Maxwell仿真得其互感變化范圍為9～15.5μH。分別對其最大最小值情況進行仿真，其結果如圖10和圖11所示。

圖10 互感為9μH時無線充電系統輸出結果

圖11 互感為15.5μH時無線充電系統輸出結果

觀察圖10和圖11，根據公式（3） 對其進行分析，式中RTRL<<ω2M2，忽略等效負載的影響。以ωM=1作為臨界耦合狀態，此時ωM=6.7為過耦合狀態。由于互感改變，為了保持輸出電壓、電流、功率穩定，輸入電壓應與互感變化呈反比，即系統初始化階段調制度與D呈反比。

假設等效負載阻值的變化范圍為10～15Ω。分別對其最大最小值情況進行仿真，其結果如圖12和圖13所示。

圖13 內阻為15Ω時無線充電系統輸出結果

觀察圖12和圖13，根據公式 （3） 對其進行分析，式中互感無變化，負載對電流變化幾乎無影響，因此，恒流階段應與系統初始化階段電流大小相等，輸出功率和電壓與負載呈正比；當處于恒功率、恒壓階段時，負載與另外兩項呈反比。圖中變化趨勢與公式（3） 一致，且系統輸出曲線能在0.5ms以內達到穩定狀態，證明能夠有效地使系統處于穩定狀態。

5 結論

本文通過查閱電動汽車無線充電系統相關標準制定了設計目標；根據基爾霍夫定律對S-S型耦合機構能量傳輸關系進行了推導；分別利用Maxwell和Simulink建立了耦合線圈模型和電路模型。提出了基于PID控制器的無線充電系統恒輸出控制策略，并在無線充電系統基本結構上加以驗證；通過理論分析與仿真結果相比較，其結果一致證明了恒輸出控制系統的正確性；其較短的時間能達到穩態輸出，證明了恒輸出控制系統有效性。