阅读说明：本技术 基于ss拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法 (Wireless charging full-working-condition coordination control method based on SS (service system) topology coupling mechanism ) 是由 刘普 梁燕 申永鹏 杨小亮 金楠 郭磊磊 武杰 杨存祥 王延峰 于 2019-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法,涉及无线充电技术领域,包括计算车端BOOST电路高低压侧电压比范围；记录充电系统的工运参数；实时电量信息无线传输；采样高频逆变电流及PFC变流器直流电压；设定高频逆变电流指令及PFC变流器直流电压指令。本发明对车地端无线通讯速率要求低,无需额外增加硬件模块即可实现,简单易行,提升了充电系统运行稳定性。随着电池电压宽范围变化,地端协调控制各环节工作点,使得整个充电系统均在其定额范围内稳定运行。(The invention discloses a wireless charging full-working-condition coordination control method based on an SS (system-to-service) topological coupling mechanism, which relates to the technical field of wireless charging and comprises the steps of calculating the voltage ratio range of a high-low voltage side of a vehicle-end BOOST (BOOST open circuit); recording the industrial operation parameters of the charging system; real-time electric quantity information is wirelessly transmitted; sampling high-frequency inverter current and direct-current voltage of a PFC converter; and setting a high-frequency inverter current command and a PFC converter direct-current voltage command. The invention has low requirement on the wireless communication speed of the vehicle ground end, can be realized without additionally adding a hardware module, is simple and easy to implement, and improves the operation stability of the charging system. Along with the wide range change of the battery voltage, the ground end coordinately controls the working points of all links, so that the whole charging system stably operates in the rated range.)

基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别涉及一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法。

背景技术

随着石油危机和环境问题的爆发，人们开始越来越关注汽车对化石能源的消耗，以及其排放的废气对环境的影响。电动汽车是传统内燃机汽车的一种很好的替代品，它不需要消耗化石能源且不会排放废气，因此电动汽车的研究成为现阶段汽车厂商研究的重要课题和汽车产业发展的重要方向。传统电动汽车充电方式为插电式，受电气接口及充电桩数量限制，同一时间只能为一台或几台电动汽车进行充电。无线电能传输技术(WirelessPower Transfer,WPT)具有安全性高、可操作性强、智能化的优点，有效克服了插电式充电装置存在的缺点。基于无线充电电能传输技术的电动汽车充电设备成为电力装备厂商及高校研究的热点。

目前的无线充电系统中，电池电压范围较宽，由于耦合机构特性限制，随着电池电压及充电功率变化，如果不及时调整耦合机构高频逆变输入电压电流，将无法保证系统在全工况范围运行。因而在充电过程中随着充电工况变化及时调整高频逆变输入电压电流对于满足系统全工况运行显得尤为重要。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法，以解决目前的无线充电系统中，电池电压范围较宽，由于耦合机构特性限制，随着电池电压及充电功率变化，如果不及时调整耦合机构高频逆变输入电压电流，将无法保证系统在全工况范围运行的问题。该方法的控制对象是电动汽车无线充电系统，该无线充电系统采用串联谐振(SS拓扑)耦合机构，该耦合机构能够有效的实现电能无线传输。

本发明的技术方案是：

一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法，包括：

S1、功率传输控制器获取车端BOOST电路的占空比范围，并依据占空比范围确定车端BOOST电路高低压侧电压比范围(Ratio_min，Ratio_max)；

S2、车地端协调控制器实时记录充电系统运作时的充电工运参数；

充电工运参数包括地端高频逆变电流定额值、PFC变流器可满功率运行的直流电压范围(U_{pfc_min}，U_{pfc_max})、系统最大充电功率和车端BOOST电路低压侧电流定额I_{dc_low_max}；

S3、车端控制系统向车地端协调控制器传输车端实时电量信息；车端实时电量信息包括电池充电电压电流及车端BOOST电路低压侧电压采样值；

S4、高频逆变控制器实时获取高频逆变电流采样值，PFC控制器实时获取PFC变流器直流电压采样值；

S5、车地端协调控制器根据车端BOOST电路高低压侧电压比范围(Ratio_min，Ratio_max)、充电工运参数和车端实时电量信息，确定高频逆变电流指令，并将高频逆变电流指令传输至高频逆变控制器，高频逆变控制器根据高频逆变电流指令与高频逆变电流采样值进行高频逆变电流闭环调节；

S6、高频逆变控制器获取高频逆变器移相角动态值；

车地端协调控制器根据高频逆变器移相角动态值确定PFC变流器直流电压指令变化方向；并根据PFC变流器直流电压指令变化方向及当前周期PFC变流器直流电压指令确定下一周期PFC变流器直流电压指令；

车地端协调控制器将PFC变流器直流电压指令传输至PFC控制器，PFC控制器根据PFC变流器直流电压指令与PFC变流器直流电压采样值进行PFC变流器直流电压闭环调节；

在系统充电过程中，功率传输控制器根据电池充电电压电流，实时调节系统充电功率在系统最大充电功率的范围内。

进一步的，S5中计算高频逆变电流指令的步骤包括：

S51、功率传输控制器根据车端BOOST电路的占空比范围，得出车端BOOST电路低压侧电压的范围为：(Ratio_min×U_battery，Ratio_max×U_battery)，U_battery为当前电池电压值，则高频逆变电流范围为：

式中ω₀为耦合机构谐振频率，也是当前高频逆变器的控制频率；M是电感互感系数；

S52、车地端协调控制器结合PFC变流器可满功率运行的直流电压范围(U_{pfc_min}，U_{pfc_max})以及系统当前充电功率P，得出高频逆变电流I_ac最小值；

式中φ_max为高频逆变器移相角最大值；

S53、车地端协调控制器结合车端BOOST电路低压侧电流定额I_{dc_low_max}与系统当前充电功率P，得出车端BOOST电路低压侧电压最小值，并通过下式得出对应高频逆变电流I_ac最小值；

S54、车地端协调控制器结合S51、S52和S53中的各式及地端高频逆变电流定额限值，计算得出高频逆变电流指令范围(I_{ac_ref_min}，I_{ac_ref_max})。

进一步的，S6中确定PFC变流器电压指令的步骤包括：

S61、高频逆变控制器确定高频逆变器闭环控制的移相角控制范围(σ_min，σ_max)，移相角的取值范围为(0，π)；

其中，移相角控制范围小于移相角的取值范围；

S62、在高频逆变电流控制过程中，车地端协调控制器根据移相角控制范围，相应调节PFC变流器直流电压指令；

当逆变器移相角大于移相角上限时，抬高PFC变流器直流电压指令；

当逆变器移相角小于移相角下限时，下调PFC变流器直流电压指令；

当逆变器移相角在上下限之间时，PFC变流器直流电压指令不变；

当PFC变流器直流电压指令超出PFC变流器满功率电压范围时，则维持PFC变流器直流电压上限或下限运行，不再调节。

进一步的，在充电系统启动初期，车地端协调控制器获取车地端耦合机构的理论互感值；

当车地端耦合机构发生偏移时，车地端协调控制器根据车端BOOST电路低压侧电压采样值和高频逆变电流实时采样值，并结合下式反算出车地端耦合机构的实际互感值；车地端协调控制器根据理论互感值与实际互感值，进行车地端耦合机构偏移调节；

其中，U_{dc_low}是车端BOOST电路低压侧电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明对车地端无线通讯速率要求低，无需额外增加硬件模块即可实现，简单易行，提升了充电系统运行稳定性，随着电池电压宽范围变化，地端协调控制各环节工作点，使得整个充电系统均在其定额范围内稳定运行。

2、本发明车端采用的BOOST电路拓扑，同样适用于车端采用可控DC/DC变换的其他电路拓扑；此外，本发明除了适用于充电系统充电稳态控制阶段，同样也适用于充电系统启动阶段，这使得系统控制简单易行。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明无线充电系统控制结构图；

图3为本发明的SS谐振系统交流等效电路图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明控制对象是电动汽车无线充电系统，如图1所示，该系统采用串联谐振(SS拓扑)耦合机构。无线充电系统包括地端系统和车端系统，地端系统由地端功率发射端和地端控制系统组成，车端系统由车端功率发射端和车端控制系统组成。其中，地端发射线圈与车端接收线圈组成了耦合机构，耦合机构用于实现电能无线传输。

地端功率发射端包括PFC(Power Factor Correction)变流器，高频逆变器以及发射线圈。PFC变流器用于将交流电能转换为直流电能，同时实现其交流接入端单位功率因数控制；高频逆变器为全控型H桥拓扑，通过控制高频逆变器实现对车端高频整流器输出直流电压控制。

车端功率接收端包括高频整流器及DC/DC变换器。车端高频整流器为二极管整流桥拓扑，其用于将高频交流电能转化成为直流电能；DC/DC变换器，这里以升压型BOOST电路为例，其用于实现电池功率传输控制功能。

其中，车端控制系统与地端控制系统无线通讯连接。地端控制系统包括车地端协调控制器、PFC系统控制器和高频逆变控制器；车地端协调控制器根据车端运行工况控制PFC系统控制器协调控制PFC变流器直流电压；车地端协调控制器通过控制高频逆变控制器协调高频逆变器调整高频逆变电流进而实现控制高频整流器输出直流电压。车端控制系统包括功率传输控制器。功率传输控制器采样电池电流及BOOST高低压侧电压，功率传输控制器将采样的车端电气量信息反馈至地端控制系统进行相应处理，由此形成了一个闭合反馈系统，使得充电系统保持在定额范围内稳定运行。

串联谐振(SS拓扑)耦合机构，其等效电路图如图2所示，L1，C1分别为发射线圈自感及谐振电容，L2，C2分别为接收线圈自感及谐振电容，U1，IL1分别为发射线圈高频逆变交流电压及电流，U2，IL2分别为接收线圈高频整流交流电压及电流。根据图2可列写下式：

基于本系统一次侧与二次侧系统谐振频率相等，且系统频率在谐振点处，忽略R₁和R₂的影响，可得：

式2中，ω₀为系统谐振频率。

式1化简，可得：

谐振网络互导增益、互阻增益与负载电阻无关，当系统频率在谐振频率点处时，具体表达式：如下：

其中，G_ivss为互导增益，G_viss为互阻增益,k为耦合线圈耦合系数，表达式如下：

在本实施例中，电池充电分为以下几个阶段：

当电池电压较低时采用恒流充电模式(电流指令设为最大电流)；

当电池电压达到一定数值后，继续以最大电流充电将导致充电功率大于充电系统的最大充电功率，此时系统将切换为恒(限)功率充电模式；

当电池电压达到其最高充电电压后，系统将停止充电。如上即为电池充电全工况范围。

在整个充电过程中，车端BOOST电路能够正常运行需确保高低压侧电压在合适范围内，即满足下式要求：

D＝(U_high-U_low)/U_high,(D_min≤D≤D_max) (式6)

即为了满足系统全电压范围运行，车端BOOST电路低压侧电压应当随着其高压侧电压变化而变化，以确保车端BOOST电路可正常工作。

另外该系统装置各个环节均有其定额要求。在对电池充电过程中，随着电池电压及充电功率变化，需及时控制系统相应变化使得充电系统各个环节均处于电压电流定额范围内。

如图3所示，本发明提供的一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法，该方法具体的实现步骤如下：

S1、功率传输控制器获取车端BOOST电路的占空比范围，并依据占空比范围确定车端BOOST电路高低压侧电压比范围(Ratio_min，Ratio_max)；

S2、车地端协调控制器实时记录充电系统运作时的充电工运参数；

充电工运参数包括地端高频逆变电流定额值、PFC变流器可满功率运行的直流电压范围(U_{pfc_min}，U_{pfc_max})、系统最大充电功率和车端BOOST电路低压侧电流定额I_{dc_low_max}；

S3、车端控制系统向车地端协调控制器传输车端实时电量信息；车端实时电量信息包括电池充电电压电流及车端BOOST电路低压侧电压采样值；

S4、高频逆变控制器实时获取高频逆变电流采样值，PFC控制器实时获取PFC变流器直流电压采样值；

S5、车地端协调控制器根据车端BOOST电路高低压侧电压比范围(Ratio_min，Ratio_max)、充电工运参数和车端实时电量信息，确定高频逆变电流指令，并将高频逆变电流指令传输至高频逆变控制器，高频逆变控制器根据高频逆变电流指令与高频逆变电流采样值进行高频逆变电流闭环调节；

S6、高频逆变控制器获取高频逆变器移相角动态值；

车地端协调控制器根据高频逆变器移相角动态值确定PFC变流器直流电压指令变化方向；并根据PFC变流器直流电压指令变化方向及当前周期PFC变流器直流电压指令确定下一周期PFC变流器直流电压指令；

车地端协调控制器将PFC变流器直流电压指令传输至PFC控制器，PFC控制器根据PFC变流器直流电压指令与PFC变流器直流电压采样值进行PFC变流器直流电压闭环调节；

在系统充电过程中，功率传输控制器根据电池充电电压电流，实时调节系统充电功率在系统最大充电功率的范围内。

具体的，S5中计算高频逆变电流指令的步骤包括：

S51、功率传输控制器根据车端BOOST电路的占空比范围，得出车端BOOST电路低压侧电压的范围为：(Ratio_min×U_battery，Ratio_max×U_battery)，U_battery为当前电池电压值，则高频逆变电流范围为：

式中ω₀为耦合机构谐振频率，也是当前高频逆变器的控制频率；M是电感互感系数；

S52、车地端协调控制器结合PFC变流器可满功率运行的直流电压范围(U_{pfc_min}，U_{pfc_max})以及系统当前充电功率P，得出高频逆变电流I_ac最小值；

式中φ_max为高频逆变器移相角最大值；

S53、车地端协调控制器结合车端BOOST电路低压侧电流定额I_{dc_low_max}与系统当前充电功率P，得出车端BOOST电路低压侧电压最小值，并通过下式得出对应高频逆变电流I_ac最小值；

S54、车地端协调控制器结合S51、S52和S53中的各式及地端高频逆变电流定额限值，计算得出高频逆变电流指令范围(I_{ac_ref_min}，I_{ac_ref_max})。

S6中确定PFC变流器电压指令的步骤包括：

S61、高频逆变控制器确定高频逆变器闭环控制的移相角控制范围(σ_min，σ_max)，移相角的取值范围为(0，π)；

其中，为了确保逆变器闭环控制稳定，需设定移相角控制范围略小于其取值范围。

S62、在高频逆变电流控制过程中，车地端协调控制器根据移相角控制范围，相应调节PFC变流器直流电压指令；

当逆变器移相角大于移相角上限时，抬高PFC变流器直流电压指令；

当逆变器移相角小于移相角下限时，下调PFC变流器直流电压指令；

当逆变器移相角在上下限之间时，PFC变流器直流电压指令不变；

当PFC变流器直流电压指令超出PFC变流器满功率电压范围时，则维持PFC变流器直流电压上限或下限运行，不再调节。

其中，整个调节需确保PFC变流器直流电压在其运行范围内。

在充电系统启动初期，车地端协调控制器获取车地端耦合机构的理论互感值；当车地端耦合机构发生偏移时，车地端协调控制器根据车端BOOST电路低压侧电压采样值和高频逆变电流实时采样值，并结合下式反算出车地端耦合机构的实际互感值；车地端协调控制器根据理论互感值与实际互感值，进行车地端耦合机构偏移调节；

其中，U_{dc_low}是车端BOOST电路低压侧电压。

本发明提供的一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法，对车地间无线通讯速率要求不高，易于实现。该方法适用于无线充电的各个阶段，具体如下：

1、充电系统启动过程

PFC变流器直流电压指令计算，启动阶段由于逆变尚未投入，其移相角为0，由于移相角低于最低移相角值，PFC变流器的初始直流电压指令为其最低满载电压U_{pfc_min}；

PFC变流器直流电压指令计算模块后续可一直投入并依据设定好的算法运算；

PFC变流器依据电压指令完成其自身启动过程并按指令控制其直流电压为后级高频逆变器提供直流支撑；

计算高频逆变电流启动过程初始指令：将当前功率、耦合机构互感值、最大移相角、PFC满功率运行最大电压、车端BOOST电路低压侧最大电流带入式7—9中，得出高频逆变电流指令范围(I_{ac_ref_min}，I_{ac_ref_max})，计算得到其最终指令：(I_{ac_ref_min}，I_{ac_ref_max})/2；

启动高频逆变器，控制其高频逆变电流逐渐达到指令，这样地端系统为车端建立了BOOST低压侧电压；

启动车端BOOST电路，依据所设定好的系统控制模式及控制指令实现系统控制。

2、充电系统稳态运行

充电系统稳态运行阶段仍调用PFC变流器直流电压指令计算模块与高频逆变电流指令计算模块分别生成PFC变流器直流电压指令及高频逆变电流指令实现系统充电控制。

3、移相角范围设定

移相角的自然取值范围(0，π)，高频逆变电流闭环控制，移相角作为控制器输出量，为了避免控制过程中出现控制器在临界不受控状态振荡，需控制移相角的离边界值有一定裕量。移相角取值也不能太低，太低的话高频逆变电流谐波大，系统损耗大。需要根据以上两个原则合适设定移相角范围。

4、耦合机构偏移

本发明提供的一种基于SS拓扑耦合机构的无线充电全工况协调控制方法，需要通过耦合机构互感，在已知车端BOOST电路低压侧电压范围的前提下计算高频逆变电流指令。由于车地端相对位置不一致，将导致系统互感存在差异。可增加系统互感自检测功能。

由(式10)可得：

当高频逆变器开始打脉冲阶段，可根据该式用几组高频逆变电流值与BOOST低压侧电压值计算耦合机构互感。而后可用自检测的互感值进行车地端协调控制，避免了由于耦合机构偏移带来的控制偏差。

5、协调控制器控制频率

无线充电系统高频逆变器的谐振频率很高均为几十kHz，系统控制频率也较高。车地端协调控制主要是通过自动协调控制跟随电池电压及充电功率变化，由于充电过程中电池电压及功率变化速率均较为缓慢，因而将车端协调控制器每1S计算一次指令，都可满足系统控制要求。具体控制频率根据具体系统参数存在差异。本协调控制对车地端无线通讯速率要求不高，该协调控制方法简单易行。

本发明实施例通过车地端无线通讯将车端信息传给地端控制器，地端控制器综合根据本系统耦合机构参数、控制系统参数，协调控制计算得出高频逆变电流指令与PFC变流器直流电压指令，进而确保车地端能在其定额范围内运行。本发明简单易行，确保系统稳定运行。

以上公开的仅为本发明的较佳的具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。