阅读说明：本技术 一种基于lcl谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法 (electric automobile bidirectional wireless charging control method based on LCL resonance compensation ) 是由 庄慧敏 刘兴茂 张江林 张绍全 何西凤 邓昌建 谢晓娜 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于LCL谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法,具体涉及无线充电技术领域,具体控制方法如下：S1、建立LCL-BWPT系统的数学模型及控制构架：一、二次侧的高频变换器均采用全控型H桥,功率控制器安装在二次侧,根据BMS电池能量管理系统提供的电池状态、电价及车主的意愿计算控制参数,并通过无线通信将一次侧所需的调控参数α传到一次侧；S2、控制方案由两大模块构成：充/放电功率整定和控制参数设计。本发明以LCL-BWPT系统为研究对象,从车主的角度出发,实现了系统自治、独立运行,不需要集中控制器,考虑车主的意愿、电价以及EV电池的荷电状态等,基于模糊控制理论推算出EV充/放电功率的参考值。(The invention discloses electric vehicle bidirectional wireless charging control methods based on LCL resonance compensation, and particularly relates to the technical field of wireless charging, wherein the control method comprises the following steps of S1, building a mathematical model and a control framework of an LCL-BWPT system, , adopting a full-control H bridge for a high-frequency converter on a secondary side, installing a power controller on the secondary side, calculating control parameters according to a battery state, an electricity price and the intention of a vehicle owner provided by a BMS battery energy management system, transmitting a control parameter α required by the side to a side through wireless communication, and S2, forming a control scheme by two modules, namely, setting charging/discharging power and designing the control parameters.)

一种基于LCL谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于LCL谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法。

背景技术

近年来，随着能源危机以及环境问题日趋严重，混合动力汽车和纯电动汽车(EVs)在国内外得到快速发展。目前，电动汽车普及的最大障碍是充电问题。与有线充电方式相比，电动汽车的无线充电有着方便快捷、安全稳定、环境适应性强的特点，并且可以省去充电桩占用的空间，因此比有线充电有更广阔的应用前景。

在EV无线充电这一领域，当前大部分研究主要面向单向传输系统。而随着能源互联网概念的提出以及车联网技术的发展，电动汽车将作为未来智能配电网中一类重要的移动式储能系统为智能电网提供重要的辅助***。双向无线电能传输(BidirectionalWireless Power Transfer，BWPT)系统以其便利性和互动性，使用户乐意参与到电网削峰填谷等调控行为，对提升未来能源互联网的稳定性和智能性起到重要作用。

无线充电系统中传输线圈间是松耦合，因此需要加入谐振网络来减小系统无功，提升传输效率。谐振网络又称补偿网络，目前主要有串联(Series，S)补偿、并联(Parallel，P)补偿、串并联(LCL)补偿及其他一些在此基础上衍生的补偿网络。双LCL型拓扑的优点是：发射端与接收端都具有恒流特性及单位功率因数、降低损耗、提高系统效率等。然而，对于此种拓扑的功率控制问题研究较少。

关于BWPT系统，目前国内研究较少，国外研究主要集中在系统数学模型的建立、传输特性的分析、控制信号的同步方法及能量双向流动的实现等方面。在控制策略方面，普遍采用PI控制算法，较为简单且易于实现，但抗干扰能力弱，鲁棒性较差。此外，目前的控制策略均以“上级控制系统已给出充放电功率参考值”为前提条件。

专利申请公布号CN 108544935 A的专利公开了一种电动汽车双向无线充电系统传输功率控制方法，包括以下步骤：对系统的原边和副边线圈间的互感进行计算，并根据输出功率指令值计算得到原边和副边变换器的内移相角；原边和副边控制器以各自时钟信号为基准各自调整原边和副边变换器中各桥臂开关信号的相位，解耦传输功率方向与大小的控制；通过跟踪输出电流的极值，实现原边和副边变换器控制信号的相位同步，对系统传输功率的方向进行控制。解决了通信延迟造成的外移相角不可知、不可控的问题，解耦了传输功率方向和大小的控制，不需要原、副边线圈中高频电流的相位信息，减小了电路设计难度和运算速度要求，降低了成本，提升了抗干扰性和可靠性。

但是上述技术方案在实际运用时，仍旧存在一些缺点，如采用双SP谐振电路拓扑结构，以已给定的功率参考值为前提，不考虑车主的实际充电需求，或者需要由中央控制器给出功率参考值，使用不方便；此外，该发明采用“对控制信号施加扰动”的方法实现功率传输方向的控制，方法较为复杂。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种基于LCL谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法，通过以LCL-BWPT系统为研究对象，从车主的角度出发，实现了系统自治、独立运行，不需要集中控制器，考虑车主的意愿、电价以及EV电池的荷电状态等，基于模糊控制理论推算出EV充/放电功率的参考值，以解决上述背景技术中提出的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于LCL谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法，具体控制方法如下：

S1、建立LCL-BWPT系统的数学模型及控制构架；

S1.1、采用LCL-BWPT系统和控制构架；

S1.2、LCL-BWPT系统的精确数学模型建立：

二次侧输出的功率如下：

式中，P_s、Q_s分别为二次侧输出的有功功率和无功功率，α、β分别为一、二次变换器控制信号的内移相角，δ为两个变换器控制信号间的外移相角；V_dc、V_b分别为一次侧直流母线的电压和电池的电压；

为谐振频率，L_pi、L_si分别为一、二次侧滤波电感，L_sc、C_s分别为二次侧的线圈自感和补偿电容，R_si为二次侧谐振电路的等效电阻；；M为两侧线圈的互感系数；

最大输出有功功率为：

S2、采用上述LCL-BWPT系统的数学模型及控制构架，控制方案由两大模块构成：充/放电功率整定和控制参数设计，具体的控制步骤如下：

S2.1、基于模糊理论的充/放电功率整定：

当车主不考虑充电的经济性时，直接计算充电功率整定值；

当车主考虑充电的经济性时，根据充/放电容量的大小及车主心理价位c_ex与当前电价c_t的差距，应用模糊数学理论，整定充/放电功率；

S2.2、基于LCL-BWPT系统精确数学模型的控制参数设计：

在设计控制器参数时，使BWPT系统工作于UPF模式(δ＝δ_Q0接近但不等于±90°)，先取δ的初始值δ₀＝90°(充电模式)或-90°(放电模式)进行控制参数α、β的预测，得到其初始值，然后再进行迭代修正。

在一个优选地实施方式中，所述LCL-BWPT系统和控制构架具体为：将一次变换器和二次变换器分两侧设置，且通过带LCL谐振补偿的松耦合线圈连接，一次变换器和二次变换器均为高频变换器，且均采用全控型H桥；在二次变换器侧安装连接有功率控制器，且功率控制器输入端与BMS电池能量管理系统连接，根据BMS电池能量管理系统提供的电池状态、电价及车主的意愿计算控制参数，并通过无线通信将一次变换器侧所需的调控参数α传到一次变换器侧。

在一个优选地实施方式中，功率控制器安装在二次侧，通过无线通信与一次侧PPM调制电路连接，实现调控参数α的传输。

在一个优选地实施方式中，所述步骤S1.2中，由于谐波的影响，当系统运行于UPF单位功率因素模式即输出无功功率为0时，外移相角δ_Q0不再等于±90°，而是为：

在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.1中，当车主不考虑充电的经济性时，计算充电功率整定值的公式如下：

式中，t₀、t_nd分别为EV充/放电开始时间和结束时间，SoC₀、SoC_ex分别为充/放电开始和结束电时电池的荷电状态，E_N、η分别为电池的额定容量及充/放电效率。

在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.1中，当车主考虑充电的经济性时，整定充/放电功率的具体方法如下：

两个输入变量：

一个输出变量：

①输入输出变量的模糊空间划分：

为简化规则描述，两个输入变量均划分为三个模糊子集：高(H)、正常(N)、低(L)，输出变量划分为5个模糊子集：NB(负大)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)；变量隶属度函数均采用梯形函数；

②采用模糊控制规则；

③模糊推理：采用Mamdani推理方法，先由控制规则确定输入输出的模糊关系，然后采用模糊合成运算由实际的模糊输入推理得到模糊输出；

④去模糊精确化处理：模糊推理得到控制变量的模糊值后，采取面积重心法去模糊，从而求得控制变量的精确值；

由模糊控制规则推理出的ΔP_ref得，

若P_ref＞P_max，则令P_ref＝P_max；若P_ref＜P_min，则令P_ref＝P_min。

在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.2中，为简化计算，取α＝β；具体步骤如下：

①根据选择的充电模式，将δ₀＝90°或-90°代入式(3)求出P_max，δ₀＝90°代表充电，-90°代表放电，然后得到内移相角初始值：

α₀＝β₀＝cos^-1(1-2P_ref/P_max) (6)

②将第k次控制参数迭代值代入式(2)求出无功功率Q_s，k，然后由UPF模式运行条件：Q_s，k＝0，求出第k+1次迭代的δ值：

δ_k+1＝δ_k+Δδ_k+1 (8)

③将代入α_k＝β_k、δ_k+1代入式(1)求出有功功率P_s，k，然后求解第k+1次迭代的α、β：

α_k+1＝β_k+1＝β_k+Δβ_k+1 (10)

④再将修正后的α、β代入式(4)求δ_Q0，并判断是否满足收敛条件：|δ_k+1-δ_Q0|≤ε或k≥k_max(最大迭代次数)，若满足，则输出δ的最终值，转到第③步求出α、β的最终值，结束迭代；否则，转到第②步继续迭代计算。

本发明的技术效果和优点：

1、本发明以LCL-BWPT系统为研究对象，从车主的角度出发，实现了系统自治、独立运行，不需要集中控制器，考虑车主的意愿、电价以及EV电池的荷电状态等，基于模糊控制理论推算出EV充/放电功率的参考值，本发明从车主充电的实际需要出发，考虑汽车电池的实际状态，以减少充电费用为目标，基于模糊控制理论推导出符合车主充电需求的功率参考值，不需要集中控制系统给出参考值；

2、本发明应用精确的LCL-BWPT系统数学模型，以提高能量传输效率和降低开关损耗为出发点，设计第二层功率控制器，实现高效、快速、稳定地跟踪功率参考值；

3、本发明通过改变外移相角的正、负号改变功率传输方向，基于精确的系统数学模型，通过迭代计算得出控制参数的值，使其能够快速跟踪参考功率P _ref，并且传输效率高、开关损耗小、抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明的LCL-BWPT系统结构及控制构架示意图。

图2为本发明的控制方案框图。

图3为本发明的输入和输出变量的隶属度函数结构示意图。

图4为本发明的整体控制流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1-4所示的一种基于LCL谐振补偿的电动汽车双向无线充电控制方法，具体控制方法如下：

S1、建立LCL-BWPT系统的数学模型及控制构架，如图1所示；

S1.1、采用LCL-BWPT系统和控制构架；

LCL-BWPT系统：将一次变换器和二次变换器分两侧设置，且通过带LCL谐振补偿的松耦合线圈连接，一次变换器和二次变换器均为高频变换器，且均采用全控型H桥；

控制构架：在二次变换器侧安装连接有功率控制器，且功率控制器输入端与BMS电池能量管理系统连接，根据BMS电池能量管理系统提供的电池状态、电价及车主的意愿计算控制参数，并通过无线通信将一次变换器侧所需的调控参数α传到一次变换器侧，其中一次变换器连接一次侧PPM调制电路，二次变换器连接二次侧PPM调制电路，且功率控制器输出端与二次侧PPM调制电路输入端连接，一次侧PPM调制电路通过无线通信与二次侧控制器连接，实现调控参数α的传输；

S1.2、LCL-BWPT系统的精确数学模型建立：

二次侧输出的功率如下：

式中，P_s、Q_s分别为二次侧输出的有功功率和无功功率，α、β分别为一、二次变换器控制信号的内移相角，δ为两个变换器控制信号间的外移相角；V_dc、V_b分别为一次侧直流母线的电压和电池的电压；为谐振频率，L_pi、L_si分别为一、二次侧滤波电感，L_sc、C_s分别为二次侧的线圈自感和补偿电容，R_si为二次侧谐振电路的等效电阻；M为两侧线圈的互感系数；

最大输出有功功率为：

由于谐波的影响，当系统运行于UPF单位功率因素模式即输出无功功率为0时，外移相角δ_Q0不再等于±90°，而是为：

S2、采用上述LCL-BWPT系统的数学模型及控制构架，控制方案由两大模块构成：充/放电功率整定和控制参数设计，各模块的具体实现过程如图2所示，具体的控制步骤如下：

S2.1、基于模糊理论的充/放电功率整定：

当车主不考虑充电的经济性时，直接计算充电功率整定值，公式如下：

式中，t₀、t_nd分别为EV充/放电开始时间和结束时间，SoC₀、SoC_ex分别为充/放电开始和结束电时电池的荷电状态，E_N、η分别为电池的额定容量及充/放电效率；

当车主考虑充电的经济性时，从车主的角度，希望满足充电需求的同时充电费用也比较低，为此，根据充/放电容量的大小及车主心理价位c_ex与当前电价c_t的差距，应用模糊数学理论，整定充/放电功率，具体方法如下：

两个输入变量：

一个输出变量：

①输入输出变量的模糊空间划分：

为简化规则描述，两个输入变量均划分为三个模糊子集：高(H)、正常(N)、低(L)，输出变量划分为5个模糊子集：NB(负大)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)；变量隶属度函数均采用梯形函数，如图3所示；

②采用模糊控制规则；如下表1和表2所示：

表1充电功率整定的模糊控制规则

表2放电功率整定的模糊控制规则

③模糊推理：采用Mamdani推理方法，先由控制规则确定输入输出的模糊关系，然后采用模糊合成运算由实际的模糊输入推理得到模糊输出；

④去模糊精确化处理：模糊推理得到控制变量的模糊值后，采取面积重心法去模糊，从而求得控制变量的精确值；

由模糊控制规则推理出的ΔP_ref得，

若P_ref＞P_max，则令P_ref＝P_max；若P_ref＜P_min，则令P_ref＝P_min；

S2.2、基于LCL-BWPT系统精确数学模型的控制参数设计：

通过仿真分析及实验验证表明：外移相角δ越接近±90°，线圈间所能达到的理论传输效率越高；但是当δ等于±90°时，BWPT系统中将有半数开关管工作在硬开通状态，不利于变换器的优化运行。因此，在设计控制器参数时，使BWPT系统工作于UPF模式(δ＝δ_Q0接近但不等于±90°)，从而提高无线能量传输效率，并且可以减少变换器的开关损耗。基于此，先取δ的初始值δ₀＝90°(充电模式)或-90°(放电模式)进行控制参数α、β的预测，得到其初始值，然后再进行迭代修正，为简化计算，取α＝β；具体步骤如下：

①根据选择的充电模式，将δ₀＝90°(充电)或-90°(放电)代入式(3)求出P_max，然后得到的内移相角初始值：

α₀＝β₀＝cos^-1(1-2P_ref/P_max) (6)

②将第k次控制参数迭代值代入式(2)求出无功功率Q_s，k，然后由UPF模式运行条件：Q_s，k＝0，求出第k+1次迭代的δ值：

δ_k+1＝δ_k+Δδ_k+1 (8)

③将代入α_k＝β_k、δ_k+1代入式(1)求出有功功率P_s，k，然后求解第k+1次迭代的α、β：

α_k+1＝β_k+1＝β_k+Δβ_k+1 (10)

④再将修正后的α、β代入式(4)求δ_Q0，并判断是否满足收敛条件：|δ_k+1-δ_Q0|≤ε或k≥k_max(最大迭代次数)，若满足，则输出δ的最终值，转到第③步求出α、β的最终值，结束迭代；否则，转到第②步继续迭代计算，整个控制流程图如图4所示。

说明：1、LCL-BWPT系统的数学模型是参考的文献[1]：Ahmed A.S.M.，AlbertoBerzoy，0sama A.M.Experimental Validation of Comprehensive Steady-StateAnalytical Model of Bidirectional WPT System in EVs Applications[J].IEEETransactions On Vehicular Technology，66(7)，pp.5584-5594，2017。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。