电动汽车无线充电的启动阶段控制策略

《电动汽车无线充电的启动阶段控制策略》论文发表期刊：《电测与仪表》；发表周期：2020年24期

《电动汽车无线充电的启动阶段控制策略》论文作者信息：杨丰（1994-），男，硕士研究生，从事无线电能传输技术研究。 邓其军（1975一），男，教授，博士，从事无线电能传输、谐振电力变换、电力信息化技术研究。 朱傲（1994-），男，博士研究生，从事无线电能传输技术研究。

　　摘要：针对电动汽车无线充电系统启动充电时会出现过流的异常情况，为实现系统正常启动充电，文中提出了一种新的启动阶段控制策略。该策略首先基于LC补偿结构的数学模型，分析系统在自谐振频率偏移、位置偏移及电池等效电阻变化情况下出现的过流问题;分析了系统工作频率与逆变器输出相角的关系，并基于MATLAB数值仿真得到系统的最佳工作频率范围与初始启动电压，进而设计了启动过程的PID控制器。该控制器在保证系统实现零电压切换的同时还能抑制系统启动阶段过流。开发了实验室原型机系统，并通过在一组72 v的铅酸蓄电池上的充电实验，验证了所设计控制策略的可用性及优越性。

　　关键词：无线充电;启动控制;过流分析;工作频率

　　Abstract: In view of the abnormal situation that may occur over-current problems when the wireless charging system of electric vehicles start-up, in order to realize the normal start-up, a new start-up stage control strategy is proposed in this pa per. Firstly, based on the mathematical model of LC compensation structure, this strategy analyzed the over-current problems of the system in the case of self-resonant frequency offset, position offset and battery equivalent change; Then, therelationship between the operating frequencv of the svstem and the output phase angle of the inverter was deduced, and the opti mal operating frequency range and initial start-up voltage of the system were obtained based on MATLAB numerica simulation, and then, the PID controller of the starting process was designed. The controller not only guarantees the sys-tem to realize zero voltage switching, but also suppresses the over-current in the start-up stage. Finally, the laboratory prototype system was developed, and the availability and superiority of the designed control strategy are verified throug charging experiments on a 72 V lead-acid battery.

　　Kevwords: wireless power charging, start-up control, overcurrent analysis, operating frequeney

　　0引言

　　近年来，无线电能传输技术发展越来越快，广泛应用于各种场合中，比如电动汽车、手机、生物医疗设备等[。具体而言，在电动车辆(Electric Vehicle，简称EV)充电过程中，运用无线充电技术能实现电气与机械隔离，减少电缆及插座的使用，避免了接触式火花、短路和漏电危险[2)。此外，将无线充电技术运用在电动汽车动态行驶过程中[4]，可以大大减少电池所需容量及充电时间。因此，电动汽车无线充电技术在未来电动汽车市场的发展中起着重要作用。

　　目前涉及电动汽车无线充电技术的研究有很多，主要在充电功率的控制和电路补偿拓扑结构[5]的研究这两方面。对于电池的充电过程主要包括恒流(CC)

　　和恒压(CV)两种模式[6]，随着电池充电过程的进行，电池的等效电阻会增大。一方面，电池充电需要在等效电阻变化时提供准确的充电电压或电流，另一方面，为了消除高次谐波并减少逆变器的损耗[4]，尤其是在高功率的场合中，有必要在整个充电过程中实现零电压切换(ZVS)操作]。目前已经有很多研究来实现这两个目标，文献[10]中提出了不同的补偿拓扑进行分析，如基本补偿拓扑和具有不同负载特性的高阶补偿拓扑，在四种基本拓扑中，仅在ss拓扑中，该拓扑的系统特性是与负载无关的输出电流。为了提高无线能量传输(WPT)系统的性能，也提出了一些高阶补偿拓扑[011 通过增加LC谐振电路或者额外的谐振电容，这增加了系统的尺寸和成本，同时增加了系统分析的复杂程度。在电池侧提供CC和CV的另一种方法是充电控制策略，在初级侧控制[2])中，相移控制[B4]方法可以通过调整相移角来实现恒定的输出电流和电压，但在整个充电过程中不能实现变频器的zVS运行。

　　具有锁相环的脉冲宽度调制(PWM)控制[5-6)方法可以实现ZVS操作和恒定输出，但ZVS角度(ZVSA)是固定的，不能灵活调整。同时，该方法缺乏Cc/CV电池充电的系统分析和参数设计，系统复杂，尚未研究实现所需输出功率和ZVS操作的工作频率范围(OFR)。

　　在双侧控制中，除了逆变器外，还在接收机侧放置一个额外的DC-DC转换器来调节电池充电过程[1]，增加DC-DC转换器和在接收器侧使用有源整流器进行充电控制，这增大了充电器的尺寸和成本，使整个系统的整体效率也相对较差。

　　综上所述，目前已有的研究主要是实现电动汽车无线充电CCIcV的充电过程的方法，但是忽略了电动汽车无线充电技术在实际应用中会出现启动阶段过流的问题。事实上，在实际停车场中运用无线充电技术给电动汽车进行充电时，初、次级侧线圈，会由于车辆材料、结构的不同造成参数不稳定，偏离理想值。同时，由于停车的位置会有一定的偏移，造成初、次级侧线圈之间互感的变化;以及不同车辆电池电量不同，反射到初级侧的等效阻抗不同等，都会在启动充电时产生启动电流过流等问题。这不仅会增加设备成本，而且还会导致系统故障，损坏设备。

　　为了解决上述问题，文中提出了一种针对充电启动阶段抑制过流的控制策略，通过寻找最佳的工作频率范围作为额定工作频率范围，以一个较高的初始频率启动充电，实现启动过程小电流启动来抑制过流，然后通过增量式PID控制器控制频率实现逆变器的ZVS操作，最后稳定达到电池组恒流恒压充电所需的充电电流电压。文中余下部分，首先提出了串-串补偿结构的无线充电系统的数学模型，接着分析了电池负载特性和过流问题，然后通过仿真得到可工作的最佳频率范围并设计PID控制器实现ZVS操作。最后设计开发系统原型机并对其性能进行实验验证。

　　1系统分析

　　文中所用的S-S补偿拓扑电动汽车无线充电系统

　　(见图1)，它由一个D类电压源逆变器，初、次级耦合谐振线圈、全桥整流器、电池负载组成。v.是逆变器的直流输入电源，Q1.Q2是驱动开关管的驱动信号(通常是MOSFET)，v，是逆变器的输出电压。在初级侧，电感1，与电容C，串联，次级侧电感1与电容C也是串联，R，与R，为两侧等效寄生电阻，M是初级侧线圈与次级侧线圈之间的互感，R，为电池充电时的等效电阻，C，为滤波稳压电容。

　　1.1 系统阻抗分析

　　在IPT系统中，是逆变器的工作角频率，逆变器的占空比约为0.45，w、w2分别为初、次级侧的自谐振角频率，为了方便计算分析，令w，=w2=w，初级侧和次级侧产生的等效阻抗如下：

　　1.2 逆变器输出电流

　　在系统原理图1中，逆变器直流输入电压电流分别为v，和1，。假设系统稳定工作在谐振理想状态，逆变器开关管的损耗可以忽略不计，则逆变器输入的有功功率应该等于输出的有功功率：V.I，= V，lcose

　　(6)

　　由式(3)、式(4)、式(6)可以得出逆变器的输出电流会受逆变器输入电压、自谐振频率、线圈互感以及电池负载侧阻抗等因素的影响。

　　一般来说，系统工作角频率w将根据a，与w2设置。然后用线圈电阻R，R2和初级侧线圈L，与次级侧线圈L，之间的互感系数来表示WPT系统的稳态特性。

　　然而，要设计出完全一致的共振频率是很困难的。因此，文中在对WPT系统进行分析的基础上，并没有假设理想的谐振条件。为了获得相同的电感，一次谐振线圈和二次谐振线圈的参数相同，电动汽车无线充电系统各项参数如表1所示。

　　电动汽车无线充电的标准工作频率为fo=85 kHz，固定电感时可计算标准电容值。但在实际应用中，电容值可能会出现偏差。与标准电容值相比，初级侧和次级侧电容误差在5%左右，除此之外，车辆底盘结构对线圈谐振频率的影响也十分明显，不可忽略，使得自谐振频率在0.886，~ 1.08，之间变化。在实际电动汽车充电系统中，每个停车过程之后的不同电感值导致整个系统的失谐，从而导致谐振频率的改变;位置不同也将导致初次级线圈之间的互感发生变化，随着偏移距离越远，线圈之间的互感就越小，从而导致逆变器输出电流增大，有过流的风险。

　　当自谐振频率和位置的偏移共同影响时，对于具有恒定频率的操作，将会导致系统的启动电流更大，也会导致无功功率的必要性，这导致半导体开关产生更高损耗。这些较高的损耗可能导致电力电子设备的热破坏。图2给出了当车辆停放充电的位置有偏差时，启动充电时电流过流的情况，设定偏移的距离X轴范围从0~2 000 mm。

　　通过仿真结果可以看出，当车辆停车位置有偏移时，会出现启动充电时电流过流的问题，如果不采取有效的启动阶段控制策略，将会对系统设备造成损坏。考虑到实际情况，文中选择对逆变器输入电压和工作频率进行有效的设计来抑制启动阶段过流问题。

　　1.3 电池充电状态分析

　　文中电动汽车无线充电系统负载采用铅酸蓄电池，为了防止电池过充或过放，延长电池寿命，采用恒流一恒压一滑流三阶段充电方法，使用的电池是串联的12节LEOCH电池的3-EV-225系列电池。电池恒流充电电流为22.5 A，恒压充电电压为90 v。电池充电过程可分为三个过程，如图3所示。

　　当电动汽车充电时，电池的等效电阻R，发生变化，因此电动汽车无线充电系统是一个可变负载统。呈现的等效电阻也不尽相同，因此有必要分析一下电池不同阶段的等效电阻。

　　(1)恒流阶段0-4：电池的充电电流维持在22.5

　　A，充电电压从82.5 V逐渐上升到90 v，电池等效电阻变化3.67 2-40;

　　(2)恒压阶段1，-2：电池的充电电压维持在90

　　v，电电流从22.5 A逐渐减小到6A，电池等效电阻变化为42-15 2;

　　(3)滑流阶段12-s：当电流由恒压阶段降到6A时，充电状态进涓流阶段，此时充电电压降为85 v，充电电流由5.67 A降为3A，充电结束，等效电阻变化为15 2-28 3.

　　2充电启动控制策略

　　对于电动汽车无线充电系统，尤其是在大功率场合中，要求逆变器输出电流滞后于电压一定角度，电动汽车无线充电处于zvs状态，不会造成开关管的损坏，系统性能良好。

　　2.1频率与阻抗角分析

　　由式(5)可以看出，相角与系统的互感、频率、等效电阻有着直接的联系，因此可以用下面的函数表示：Bf，M，R)= arctan imag(z)

　　real(Z)

　　(7)

　　为了分析频率对相角的影响，对式(7)求关于f的偏导数得到：oB(f，M，R)=ff，M，Rs)

　　可

　　(8)

　　由于式(8)计算过于复杂，通过MATLAB仿真计算可以得到函数fUf，M，R)的值如图4所示。

　　根据图4计算结果，互感和等效电阻在一定的变化范围内，相角对频率的偏导数的值是始终大于零，即有：

　　38(f，M，R.)

　　>0

　　(9)

　　因此在此条件下，相角是随着工作频率的变化是单调递增的，提供了一种通过调节工作频率来控制相角的方法。为了实现ZVS操作，就需要考虑到实现零相角(ZPA)的条件。这个条件可以用方程描述如下：imag(Z)=0

　　(10)

　　式(10)同时也可以用来检测频率分叉现象。由式

　　(3)、式(10)可以得到式(11)为：

　　在以上分析中，因为系统耦合系数k与系统的自感互感有关，将k代入式(11)可以计算出另外的三个正根为式(13)~式(15)。

　　当阻抗角等于零时，根 为谐振频率的值。根x2

　　x，比较复杂，当这两个根存在，就会出现频率分叉。仿真的结果如图5所示，由图中可以看出，在文中设计的系统条件下，满足相角为零的点只有一个，此时工作频率刚好等于谐振频率，不会出现频率分叉现象。因此，设计一个控制器通过控制工作频率，就能实现ZVs。

　　2.2启动频率范围设计

　　通过文中分析，实际的系统要求处于zVs状态，使系统工作性能良好，需要保持系统相位角大于零，文中研究的电动汽车无线充电系统功率要求较大，考虑系统总损耗[7]和最小相角[1]的分析，选择参考ZVs角为20，以保证系统安全稳定运行，维持此条件所需工作频率变化如图6所示。

　　由图6中可以看出，系统的工作频率随着自谐振频率f的增大而增大。在R，-3.62，fi=0.886时，维持目标相角所需最低工作频率为72.92 kHz，在RL=

　　3.6 2，f=1.086时，最高工作频率为97.16 kHz。因此，可以考虑设置电动汽车无线充电系统的额定工作频率范围为73 kHz-97 kHz，为了实现小电流启动控制，系统的启动初始工作频率应该设为97 kHz如果以高于97 kHz的频率开始启动，系统启动电流将会趋近于零，此时无法检测相角值，造成系统失调，无法正常运行。当考虑极端情况，如车停位置完全偏出，等效为接收端消失时，以提出的初始频率启动系统充电，启动瞬间的电流不会太大，但是在相角调节的过程中电流会慢慢增加到出现过流，所以设定过流保护，以解决当系统以小电流启动之后的调节过程中，为有可能出现过流的情况提供充足的预保护时间。

　　2.3 PID控制器和控制流程设计对于电池充电这种电流电压缓慢变化的过程控制而言，控制速度并不要求很高，同时考虑到电动汽车无线充电的时间很长，启动阶段的调整时间与此相比，完全没有太大的影响，但是启动阶段的控制能有效的抑制过冲，防止过流问题，对系统的保护起到重要的作用。考虑到控制延时难以避免，为此，设定PID控制周期为50 ms。考虑到一定的裕度，同时限制频率的调节限幅范围为73 kHz-97 kHz，通过建立系统的MAT.LAB Simulink模型，进行充电启动阶段的PID控制器仿真(初始频率设置为97 kHz，初始电压设置为50

　　V)，控制器控制效果如图7所示。

　　在满足较小超调量和一定的控制速度的条件下，设定启动阶段PID控制器的比例、积分、微分系数分别为k，=0.75，k;=0.25，k=0.01，且增量式PID增量方程为：

　　式中Au(k)表示当前要调整的工作频率的增量;e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别表示本次、上次、上上次的相角值与设定值之间的误差。

　　文中设计的启动阶段控制流程如图8所示，电动汽车无线充电系统开始充电时，系统从初始频率开始进行相角控制，直到达到给定的目标值，在此期间，需要监测发射端电流是否大于最大限流值，倘若过流，需要及时切断充电，保护系统。

　　图8中，v，和1，表示测量的逆变器输入的直流电压和电流;6表示逆变器输出电流滞后于电压的角度;12表示次级侧通过负载的电流;status =x表示当前所处的充电阶段(x可以为1、2;分别表示充电起始阶段、恒流-恒压充电阶段);n表示充电阶段转换时已计数的重复判定次数;nsgr表示需要重复判定的次数。之所以要在多次条件判定后才进行阶段转换，是为了避免控制器执行时的超调引起的误判。延时过程用于表达控制器执行一次控制调整的间隔时间。

　　3实验验证

　　3.1实验原型机

　　文中为了验证提出的充电启动阶段控制策略，开发了电动汽车无线充电系统原型机如图9所示。其中直流功率模块输入三相380 V交流，输出50 V~750 v直流，最大输出电流25 A;逆变器中的主控单元将功率模块的直流电逆变输出为高频交流电至初级侧线圈;主控单元与功率模块之间通过CAN总线进行通信连接。逆变器由4个并联的半桥桥臂组成，并使用耦合电感实现4相逆变桥臂的功率合成。每个半桥臂使用两片MOSFET组成。接收端整流桥后接入12块串联的6V铅酸蓄电池。文中充电系统的充电相角目标值为200，充电初始电压为50 v，初始工作频率为97

　　kHz，充电的启动和停止指令，可以通过Rs 485连接的上位机软件来下达。

　　为保证MOSFET管的零电压切换，系统自动调整运行频率以实现逆变器输出电流与电压之间约200的相角。通过1：50电流变送器CT检测逆变器的输出电流。然后通过采样电阻将电流转换为电压信号，然后对信号进行滤波放大。滤波后，将正弦波输入电压比较器，得到相位与正弦波相位一致的方波信号。然后将方波信号输入FPGA(时钟频率为199.5 MHz)，与FPGA产生的DRV信号进行比较，得到相位角。

　　3.2实验结果与分析

　　实验中设定的充电阶段转换重复判定次数nsr =

　　10，经实验验证，发现ngr设置过小会造成充电阶段的反复跳变，设置过大会则会造成阶段判断较大的延迟使超调增大。以每个控制周期50 ms计算，10次重复判定有0.5s的延迟。启动初始电压为50 v，初始频率为97 kHz，用一组72 V的铅酸蓄电池开始实验。实验波形如图10所示。

　　图10(a)、图10(b)是正常情况下，充电启动之后，相角从初始值750调整到20的过程中，逆变器输出电压电流波形。实验结果显示电压维持不变，电流值在整个启动阶段很小，系统可正常运行。

　　图10(c)、图10(d)是接收端完全移除的条件下启动充电波形，图10(c)中相角还未开始调整，电流幅值已经达到了4A，明显大于正常情况下的启动电流，但是仍没有达到过流保护的电流条件。从图10(d)中可见相角只调整到了300，还未到达目标值200，此时的电流幅值达到13 A，已经接近过流保护的条件了，继续调整下去，电流持续上升，系统将会切断电源，停止充电。在图10(f)中，同样的偏移和初始频率条件下以更高的启动电压100 V启动充电，此时电流值明显增加，存在过流的问题。因此，以50 v的初始电压启动更为安全。

　　图10(e)是以工作频率范围外的高频率启动波形，启动频率为100 kHz，此时系统是无法正常工作的，其原因在于：频率太高，导致系统启动时电流非常小，此时检测的电流值为零会使系统的相角为零。根据工作频率与相角之间的关系，系统会将频率调整得更大，最终系统会失调，无法正常工作。

　　综上可知，无论启动充电时电池的荷电状态如何，位置偏移如何，文中设计的标准工作频率范围和启动初始电压是比较合理的，既能抑制启动阶段电流过流问题，同时也能满足PID控制器对相角的控制实现zVS操作。在极端情况下，也会在启动过程中提前预知过流的问题，提供了充足的预保护时间，采取保护措施。

　　4结束语

　　文中提出了一种针对电动汽车无线充电启动阶段控制策略，来抑制启动阶段过流问题。首先建立LC结构的数学模型，分析了逆变器输出电流与谐振频率、电池等效电阻、互感变化的联系，得到了在一定范围内工作频率与相角呈现线性递增的关系，以此设计了PID控制器使其在最佳工作频率范围内实现逆变器小电流启动的同时也能实现ZVS操作，最后进行仿真和实验验证了方法的可行性与正确性。

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