電動汽車無線充電系統恒壓控制器的研究

王宇，龔國慶

電動汽車無線充電系統恒壓控制器的研究

王宇，龔國慶

（北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192）

無線電能傳輸系統恒壓式輸出在電動汽車的能量傳遞上運用得越來越普遍。文章提出了一種基于PI控制的新型控制器，該控制器位于無線電能傳輸系統的發射端，使用在接收側測得的輸出電壓來進行功率流的調節，通過控制發射端轉換器的開關頻率使得無線電能傳輸系統能夠在預期的電壓下穩定輸出，保持系統功率恒定。且當系統參數發生變化引起系統失諧時，該新型控制器也能夠調節系統在預先設定的電壓下以恒定功率穩定運行。仿真實驗驗證了該新型控制器的可行性。

無線電能傳輸；控制器；恒壓控制；控制策略

前言

在以往進行電能傳遞時，導線的使用是必不可少的一個環節，但是導線使用時間過長會導致電火花以及老化等安全問題，給生產生活帶來了很大的困擾。而無線電能傳輸杜絕了這些安全隱患，該項新型技術在新能源汽車、在線監測設備等領域已經有了一定的應用基礎，具備非常廣泛的前景[1-4]。

在原來所提出的恒壓輸出無線充電系統中，大多數研究都集中在了閉環控制反饋與新型的拓撲結構方面。文獻[5]提出了一種新型的S/CLC拓撲結構，從而實現了系統的恒流恒壓輸出[5]；文獻[6]提出了一種與負載無關的T/S補償結構，但沒有對參數變化時引起互感的變化對系統的影響進行分析[6]；文獻[7]提出了移相控制策略來實現電壓的調節[7]。但是，這些控制方式相對來說比較復雜，且參數或組件公差的變化會引起系統的失諧，因此有時系統可能無法實現此功能。

因此，本文提出了一種新型的控制結構來克服上述弊端，該控制結構由LLC拓撲與接收端恒壓控制相結合，使用輸出電壓作為原邊PI控制的參數，從而控制原邊MOS管的開關頻率，進而實現無線電能傳輸系統的恒壓輸出，不需要添加任何無線通信設備來進行控制。同時當組件值變化使系統失諧時，系統依然可以保持副邊穩定的電壓輸出。

1 系統建模與分析

1.1 系統電路模型

如圖1為典型的LLC諧振變換器的系統框架圖，1和2為發射端的MOS管，為180°互補導通，1和2為它們的體二極管，1和2分別為兩個MOS管的結電容，R為系統負載，0為接收端的濾波電容，為原副邊的匝數比，D1和D2為接收端的整流二極管。系統得諧振元件為電感L、L以及電容C，其中，L為該耦合機構的勵磁電感，與松耦合機構進行并聯。諧振電容C與電感L串聯，具有隔斷直流的作用，當系統達到穩態時，其電壓分量為V/2。

定義系統的諧振角頻率為：

其中，f為電感L與電容C的諧振頻率，其大小為：

定義勵磁電感L、諧振電感L與電容C的諧振頻率為f，則f的大小為：

1.2 理論分析

系統的輸入電壓為V，由于1和2為180°互補導通，因此，如圖1所示，、兩點之間會出現一個直流方波電壓v，對v用傅里葉級數展開可以表示為：

其中：ω為開關管的角頻率，ω=2πf。由（4）可知，v含有直流分量和頻率為f的交流分量，直流分量作用于C上，而交流分量則作用于諧振網絡上。

由（4）可知，v的基波分量v1可以表示為：

其中，V1為v1的有效值，如圖2所示，其大小為：

對v用傅里葉級數展開可以表示為：

因此，其基波分量v1為：

式中，V1為基波電壓的有效值，大小為：

諧振變換器簡化之后的電路圖如圖2所示。

根據圖2，可以求得系統的傳遞函數(jω)為：

定義LLC諧振變換器的電壓增益為：

由（6）和（9）可得：

因此，基于以上對系統諧振條件和電壓增益的數學分析，需要設計合適的元件參數和一種控制開關管頻率的控制器，以確保系統能夠在給定的條件下恒壓輸出，同時當組件值變化使系統失諧時，系統依然可以保持穩定的電壓輸出。下面介紹一種基于PI控制的控制器的設計方法，使系統能夠在給定輸出電壓時相應的調節開關管頻率，進而使系統能夠以目標電壓值的大小進行電能的傳輸。

2 系統仿真分析

2.1 仿真原理及參數設置

首先，對接收側的電壓0進行采樣，采樣信號經過零階保持器處理過后，與目標輸出電壓V進行比較，差分通過比例積分（PI）控制器饋送到壓控振蕩器中，當控制器工作時，發射端的轉換器以初始VCO值啟動，該頻率可能與系統諧振工作頻率不同，此時系統會檢測到振蕩電壓，利用壓控振蕩器輸出一個頻率用來調節開關管的閉合，進而進行輸出電壓的控制，原理圖如圖3所示。

圖3 控制器工作原理圖

在simulink中對所提出的帶有該新型控制器的雙向無線充電系統仿真模型進行搭建，來驗證該新型控制器的可行性。具體的仿真參數如下表1所示：

表1 系統仿真參數表

名稱參數 電壓源Vin/V300 電感Lr/μH36 電感Lm/μH200 電容Cr/nF75 負載Rld/Ω1 預期電壓Vref/V24

2.2 仿真實驗驗證

LLC電路電感和電容值依據（1）與（12）式進行確定，當設定預期輸出電壓V為24 V時，仿真結果如下：

圖4 開關管Q1與Q2的仿真波形圖

圖4為開關管1和2的仿真波形圖，為了更好地顯示其波形，僅截取了0.5 ms的仿真數據，從圖中我們可以看出，在無線電能傳輸系統的工作過程中，1和2為180°互補導通，從而為系統提供交變電流。

圖5為當負載電阻值大小改變時，無線電能傳輸系統接收側輸出電壓仿真波形圖，從圖中可以看出，所設計的新型控制器能夠使無線充電系統以預期的電壓穩定運行。

圖5 負載改變時輸出電壓V0的仿真波形圖

另外，根據第一節中的分析，當組件存在公差時，系統的諧振網絡會發生變化，進而會改變開關管的頻率，因此需要驗證一下當系統失諧時的運行情況，把系統的負載設定為1 Ω，諧振電容C的值從75 nF改變為70 nF和65 nF時，運行仿真模型后對比結果如圖6和圖7所示。

圖6 Cr改變時輸出電壓V0的仿真波形圖

圖7 Cr改變時開關管的頻率

從圖中可以看出，當系統的參數改變導致諧振網絡變化時，該新型控制器依然能夠使無線電能傳輸系統以預期的電壓運行，并且開關管的頻率會進行自適應調整。

3 結論

無線充電恒壓輸出技術一直是無線電能傳輸研究的熱點，目前已經得到了很多的應用和重視。本文搭建了無線充電的恒壓傳輸模型，在發射端增加了基于PI控制的新型控制器，使得系統能夠預先設定輸出電壓，并且當系統失諧時該新型控制器也能夠及時調整系統開關管頻率使系統的輸出電壓為一定值，在預期的功率下穩定運行。該無線充電仿真模型的搭建，為以后研究恒壓式無線充電系統提供了可靠的理論指導。

[1] 尹成科,徐博翎.植入式人工心臟無線電能傳輸研究進展[J].電工技術學報,2015,30(19):103-109.

[2] 王維,黃學良,譚林林,等.磁諧振式無線電能傳輸系統諧振器參數對傳輸性能的影響性分析[J].電工技術學報,2015,30(19):1-6.

[3] 肖思宇,馬殿光,張漢花,等.耦合諧振式無線電能傳輸系統的線圈優化[J].電工技術學報,2015,30(S1):221-225.

[4] 黃學良,王維,譚林林.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術研究動態與應用展望[J].電力系統自動化,2017,41(02):2-14+141.

[5] 萬雄,彭憶強,鄧鵬毅,等.電動汽車V2G關鍵技術研究綜述[J].汽車實用技術,2020(02):9-12.

[6] Mohamed A A S, Marim A A, Mohammed O A. Magnetic design considerations of bidirectional inductive wireless power transfer system for EV applications[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2017,53(6):1-5.

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Research on Constant Voltage Controller of Electric Vehicle Wireless Charging System

WANG Yu, GONG Guoqing

（Beijing Information Science and TechnologyCollege, Mechanical and Electrical Engineering University, Beijing 100192）

The constant voltage output of the wireless power transmission system is more and more commonly used in the energy transmission of electric vehicles. This paper proposes a new type of controller based on PI control. The controller is located at the transmitting end of the wireless power transmission system. It uses the output voltage measured on the receiving side to adjust the power flow by controlling the switch of the transmitting end converter. The frequency enables the wireless power transmission system to stably output under the expected voltage and keep the system power constant. And when the system parameters change and cause the system to be detuned, the new controller can also adjust the system to run stably with a constant power under a preset voltage. The simulation experiment verifies the feasibility of the new controller.

Wireless power transmission;Controller;Constant pressure control;Control strategy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.005

TM724.1

A

1671-7988(2021)21-21-04

TM724.1

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1671-7988(2021)21-21-04

王宇（1994—），男，碩士研究生，就讀于北京信息科技大學機電工程學院，研究方向：電能無線傳輸。

龔國慶（1969—），男，副教授，碩士研究生導師，就職于北京信息科技大學機電工程學院，研究方向：新能源汽車，電能無線傳輸。