电动汽车无线充电恒输出控制策略

蔡 立， 龚国庆， 李 盈

（北京信息科技大学机电工程学院， 北京 100192）

1 引言

自21世纪初电动汽车进入了汽车市场后，电动汽车在中国汽车市场中所占的比重逐年提升。2019～2020年《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》等标准的实施将会淘汰大量的燃油车，电动汽车的占比将会进一步提升，迅速占领汽车销售市场［1］。

与无线充电相比，有线充电存在许多不足：有线充电需要使用线缆将电动汽车与充电桩相连。在此过程中，线缆长时间裸露，容易造成线缆的老化；充电枪频繁插拔，容易造成接口的磨损和电火花；并且除车辆停车位外，充电桩需要较大的占地面积，造成土地浪费［2］。

电动汽车无线充电主要采用电磁感应和磁耦合谐振两种方式［3］。电磁感应技术因结构简单，具有较大市场；磁耦合无线充电的优点在于传输距离较大、能量损失较小、对位置敏感度较低［4］。目前无线充电存在以下几个研究方向，如：补偿拓扑电路分析、线圈设计技术、功效优化、控制方法和安全问题等［5］。

2 电动汽车无线充电系统基本结构设计

无线充电系统基本结构如图1所示。根据SAE J2954、NBT 33001-2010、GBT 31466-2015等无线充电系统相关设计规定［6-8］，无线充电系统设计要求见表1。

表1 无线充电系统设计要求

根据系统基本结构和系统设计要求对无线充电系统进行设计。

3 无线充电系统设计

3.1 耦合机构设计

在ANSYS/Maxwell中建立了耦合线圈模型 （图2）。该线圈不仅能够有效传输能量，还使用了铁氧体引导和铝板，屏蔽了对人体有害的发散磁场。其磁场如图3所示。

图2 耦合线圈模型

图3 耦合线圈磁场

耦合线圈参数为：互感：M=12.55μH；耦合系数：k=0.172；自感：LT=LR=L=72.94μH；内阻：RT=RR=R=0.018Ω。

3.2 耦合拓扑分析

无线充电系统具有4种基本补偿拓扑。本文选择了S-S型补偿拓扑对其进行分析，其拓扑结构如图4所示。

图4 S-S型补偿拓扑

由基尔霍夫定律可得S-S型补偿拓扑原、副边电路如下：

对耦合拓扑进行系统无功全补偿，即假设系统处于谐振状态，S-S型补偿拓扑补偿电容依据公式 （2） 进行选择，原、副边补偿电容相等。

此时补偿电容C=48nF。

对公式（1） 进行整理，耦合机构输出功率、输出电流、输入电压为：

3.3 高频逆变器设计

高频逆变器的种类有半桥式、全桥式、推挽式和E类功率放大器等形式。其中全桥逆变器因结构简单、电路性能优良，适用于大部分开关电源电路。因此，本文选择全桥高频逆变电路，并在MATLAB/Simulink中建立了等效模型，其结构如图5所示，该逆变器使用SPWM进行控制。

图5 高频逆变电路等效模型

对该模型进行仿真，其结果如图6所示。从图6中可看到，原、副边耦合线圈和补偿电容在电路中被等效为电感、电容和电阻，电路在经过一段时间后能够稳定传输能量。通过系统输入输出电压电流得到系统工作效率为93.8%。

图6 高频逆变电路仿真结果

4 无线充电系统恒输出控制策略

4.1 PID控制方法

PID是最早发展起来的控制策略之一，由于其结构简单、鲁棒性好、可靠性高、调整方便，被广泛应用于工业控制过程中。在MATLAB/Simulink连续控制系统中，PID控制规律如图7所示。

图7 PID控制框图

参见图7，PID控制器的输出为：

式中：误差e（t）——PID的输入信号；r（t）——被控系统输出目标值；y（t）——被控系统实际输出值，e（t）=r（t）-y（t）；u（t）——PID的输出信号；Kp、Ki、Kd——比例、积分、微分增益系数。

系统初始化后，系统的实际输出值y（t）与给定目标值r（t）通过比较器进行比较，将误差e（t）输入到PID控制器中，PID控制器将会把误差e（t）代入到式 （4） 中进行计算，然后给执行器输入一个控制信号u（t），从而对系统实际输出值y（t）进行调整，再将得到的系统实际输出值y（t）再一次输入到比较器中与目标值r（t）进行比较，如此循环往复。

4.2 控制系统建模

在MATLAB/Simulink建立恒输出控制系统模型，如图8所示。

图8 恒输出控制系统模型

该模型中具有3个PID控制器，分别为恒流、恒功率、恒压控制器；使用6个开关控制PID接入系统的时机。PID控制器通过接收系统目标值和实际输出值间的误差，控制SPWM调制度D的大小实现耦合机构输入电压的控制，从而控制系统输出电压、电流和功率的变化。

系统仿真时长为4ms，共分为4个阶段：0～1ms为系统初始化阶段，此时无PID控制器参与工作，系统自主运行；1～2ms为恒流控制阶段，此时恒流PID控制器对系统输出电流进行控制；2～3ms为恒功率控制阶段，此时恒功率PID控制器对系统输出功率进行控制；3～4ms为恒压控制阶段，此时恒压PID控制器对系统输出电压进行控制。PID参数设置见表2。

根据系统设计要求可得，系统在额定情况下，其输出电压为220V、输出功率为3700W、输出电流为16.9A、等效电阻为13.1Ω。

表2 三种PID控制器增益系数

4.3 控制系统仿真分析

无线充电系统充电是一个动态变化的过程，比如：电动汽车每一次充电，其线圈相对位置都存在变化，线圈间互感必然改变；蓄电池在充电过程中，随着SOC的变化，蓄电池等效电阻也在发生变化。恒输出控制系统的目的就是在电路参数发生改变时，使系统输出保持稳定，保护充电系统的安全。

对系统标准状态进行仿真，其结果如图9所示。

图9 系统标准状态输出结果

因为本文系统是按标准状态进行设计的，而系统输出也是按标准准则进行设定的。因此，在标准状态下，由PID控制系统控制得到的系统输出应该和系统不控状态下的系统输出是相等的。所以，4个时间段的输出值应处于同一水平线。

根据SAE J2594偏移测试指导意见，假设耦合线圈水平偏移距离为±10cm，垂直偏移距离为±2cm，由Maxwell仿真得其互感变化范围为9～15.5μH。分别对其最大最小值情况进行仿真，其结果如图10和图11所示。

图10 互感为9μH时无线充电系统输出结果

图11 互感为15.5μH时无线充电系统输出结果

观察图10和图11，根据公式（3） 对其进行分析，式中RTRL<<ω2M2，忽略等效负载的影响。以ωM=1作为临界耦合状态，此时ωM=6.7为过耦合状态。由于互感改变，为了保持输出电压、电流、功率稳定，输入电压应与互感变化呈反比，即系统初始化阶段调制度与D呈反比。

假设等效负载阻值的变化范围为10～15Ω。分别对其最大最小值情况进行仿真，其结果如图12和图13所示。

图13 内阻为15Ω时无线充电系统输出结果

观察图12和图13，根据公式 （3） 对其进行分析，式中互感无变化，负载对电流变化几乎无影响，因此，恒流阶段应与系统初始化阶段电流大小相等，输出功率和电压与负载呈正比；当处于恒功率、恒压阶段时，负载与另外两项呈反比。图中变化趋势与公式（3） 一致，且系统输出曲线能在0.5ms以内达到稳定状态，证明能够有效地使系统处于稳定状态。

5 结论

本文通过查阅电动汽车无线充电系统相关标准制定了设计目标；根据基尔霍夫定律对S-S型耦合机构能量传输关系进行了推导；分别利用Maxwell和Simulink建立了耦合线圈模型和电路模型。提出了基于PID控制器的无线充电系统恒输出控制策略，并在无线充电系统基本结构上加以验证；通过理论分析与仿真结果相比较，其结果一致证明了恒输出控制系统的正确性；其较短的时间能达到稳态输出，证明了恒输出控制系统有效性。