电动汽车无线充电系统恒压控制器的研究

王宇，龚国庆

电动汽车无线充电系统恒压控制器的研究

王宇，龚国庆

（北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192）

无线电能传输系统恒压式输出在电动汽车的能量传递上运用得越来越普遍。文章提出了一种基于PI控制的新型控制器，该控制器位于无线电能传输系统的发射端，使用在接收侧测得的输出电压来进行功率流的调节，通过控制发射端转换器的开关频率使得无线电能传输系统能够在预期的电压下稳定输出，保持系统功率恒定。且当系统参数发生变化引起系统失谐时，该新型控制器也能够调节系统在预先设定的电压下以恒定功率稳定运行。仿真实验验证了该新型控制器的可行性。

无线电能传输；控制器；恒压控制；控制策略

前言

在以往进行电能传递时，导线的使用是必不可少的一个环节，但是导线使用时间过长会导致电火花以及老化等安全问题，给生产生活带来了很大的困扰。而无线电能传输杜绝了这些安全隐患，该项新型技术在新能源汽车、在线监测设备等领域已经有了一定的应用基础，具备非常广泛的前景[1-4]。

在原来所提出的恒压输出无线充电系统中，大多数研究都集中在了闭环控制反馈与新型的拓扑结构方面。文献[5]提出了一种新型的S/CLC拓扑结构，从而实现了系统的恒流恒压输出[5]；文献[6]提出了一种与负载无关的T/S补偿结构，但没有对参数变化时引起互感的变化对系统的影响进行分析[6]；文献[7]提出了移相控制策略来实现电压的调节[7]。但是，这些控制方式相对来说比较复杂，且参数或组件公差的变化会引起系统的失谐，因此有时系统可能无法实现此功能。

因此，本文提出了一种新型的控制结构来克服上述弊端，该控制结构由LLC拓扑与接收端恒压控制相结合，使用输出电压作为原边PI控制的参数，从而控制原边MOS管的开关频率，进而实现无线电能传输系统的恒压输出，不需要添加任何无线通信设备来进行控制。同时当组件值变化使系统失谐时，系统依然可以保持副边稳定的电压输出。

1 系统建模与分析

1.1 系统电路模型

如图1为典型的LLC谐振变换器的系统框架图，1和2为发射端的MOS管，为180°互补导通，1和2为它们的体二极管，1和2分别为两个MOS管的结电容，R为系统负载，0为接收端的滤波电容，为原副边的匝数比，D1和D2为接收端的整流二极管。系统得谐振元件为电感L、L以及电容C，其中，L为该耦合机构的励磁电感，与松耦合机构进行并联。谐振电容C与电感L串联，具有隔断直流的作用，当系统达到稳态时，其电压分量为V/2。

定义系统的谐振角频率为：

其中，f为电感L与电容C的谐振频率，其大小为：

定义励磁电感L、谐振电感L与电容C的谐振频率为f，则f的大小为：

1.2 理论分析

系统的输入电压为V，由于1和2为180°互补导通，因此，如图1所示，、两点之间会出现一个直流方波电压v，对v用傅里叶级数展开可以表示为：

其中：ω为开关管的角频率，ω=2πf。由（4）可知，v含有直流分量和频率为f的交流分量，直流分量作用于C上，而交流分量则作用于谐振网络上。

由（4）可知，v的基波分量v1可以表示为：

其中，V1为v1的有效值，如图2所示，其大小为：

对v用傅里叶级数展开可以表示为：

因此，其基波分量v1为：

式中，V1为基波电压的有效值，大小为：

谐振变换器简化之后的电路图如图2所示。

根据图2，可以求得系统的传递函数(jω)为：

定义LLC谐振变换器的电压增益为：

由（6）和（9）可得：

因此，基于以上对系统谐振条件和电压增益的数学分析，需要设计合适的元件参数和一种控制开关管频率的控制器，以确保系统能够在给定的条件下恒压输出，同时当组件值变化使系统失谐时，系统依然可以保持稳定的电压输出。下面介绍一种基于PI控制的控制器的设计方法，使系统能够在给定输出电压时相应的调节开关管频率，进而使系统能够以目标电压值的大小进行电能的传输。

2 系统仿真分析

2.1 仿真原理及参数设置

首先，对接收侧的电压0进行采样，采样信号经过零阶保持器处理过后，与目标输出电压V进行比较，差分通过比例积分（PI）控制器馈送到压控振荡器中，当控制器工作时，发射端的转换器以初始VCO值启动，该频率可能与系统谐振工作频率不同，此时系统会检测到振荡电压，利用压控振荡器输出一个频率用来调节开关管的闭合，进而进行输出电压的控制，原理图如图3所示。

图3 控制器工作原理图

在simulink中对所提出的带有该新型控制器的双向无线充电系统仿真模型进行搭建，来验证该新型控制器的可行性。具体的仿真参数如下表1所示：

表1 系统仿真参数表

名称参数 电压源Vin/V300 电感Lr/µH36 电感Lm/µH200 电容Cr/nF75 负载Rld/Ω1 预期电压Vref/V24

2.2 仿真实验验证

LLC电路电感和电容值依据（1）与（12）式进行确定，当设定预期输出电压V为24 V时，仿真结果如下：

图4 开关管Q1与Q2的仿真波形图

图4为开关管1和2的仿真波形图，为了更好地显示其波形，仅截取了0.5 ms的仿真数据，从图中我们可以看出，在无线电能传输系统的工作过程中，1和2为180°互补导通，从而为系统提供交变电流。

图5为当负载电阻值大小改变时，无线电能传输系统接收侧输出电压仿真波形图，从图中可以看出，所设计的新型控制器能够使无线充电系统以预期的电压稳定运行。

图5 负载改变时输出电压V0的仿真波形图

另外，根据第一节中的分析，当组件存在公差时，系统的谐振网络会发生变化，进而会改变开关管的频率，因此需要验证一下当系统失谐时的运行情况，把系统的负载设定为1 Ω，谐振电容C的值从75 nF改变为70 nF和65 nF时，运行仿真模型后对比结果如图6和图7所示。

图6 Cr改变时输出电压V0的仿真波形图

图7 Cr改变时开关管的频率

从图中可以看出，当系统的参数改变导致谐振网络变化时，该新型控制器依然能够使无线电能传输系统以预期的电压运行，并且开关管的频率会进行自适应调整。

3 结论

无线充电恒压输出技术一直是无线电能传输研究的热点，目前已经得到了很多的应用和重视。本文搭建了无线充电的恒压传输模型，在发射端增加了基于PI控制的新型控制器，使得系统能够预先设定输出电压，并且当系统失谐时该新型控制器也能够及时调整系统开关管频率使系统的输出电压为一定值，在预期的功率下稳定运行。该无线充电仿真模型的搭建，为以后研究恒压式无线充电系统提供了可靠的理论指导。

[1] 尹成科,徐博翎.植入式人工心脏无线电能传输研究进展[J].电工技术学报,2015,30(19):103-109.

[2] 王维,黄学良,谭林林,等.磁谐振式无线电能传输系统谐振器参数对传输性能的影响性分析[J].电工技术学报,2015,30(19):1-6.

[3] 肖思宇,马殿光,张汉花,等.耦合谐振式无线电能传输系统的线圈优化[J].电工技术学报,2015,30(S1):221-225.

[4] 黄学良,王维,谭林林.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究动态与应用展望[J].电力系统自动化,2017,41(02):2-14+141.

[5] 万雄,彭忆强,邓鹏毅,等.电动汽车V2G关键技术研究综述[J].汽车实用技术,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

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1671-7988(2021)21-21-04

王宇（1994—），男，硕士研究生，就读于北京信息科技大学机电工程学院，研究方向：电能无线传输。

龚国庆（1969—），男，副教授，硕士研究生导师，就职于北京信息科技大学机电工程学院，研究方向：新能源汽车，电能无线传输。