一种电动汽车双向无线充电系统传输功率控制方法技术方案

本发明专利技术属于无线充电技术领域，尤其涉及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。

A transmission power control method for bidirectional wireless charging system of electric vehicle

The invention belongs to the field of wireless charging technology, in particular relates to a power transmission control method for bidirectional wireless charging system of electric vehicle, which comprises the following steps: calculating the mutual inductance between the primary and secondary coils of the system, and calculating the inner phase shift angle of the primary and secondary converters according to the output power instruction value; The sub-side controller adjusts the phase of the switching signals of the primary and secondary side converters according to their respective clock signals, decouples the control of the direction and size of the transmission power, and realizes the phase synchronization of the control signals of the primary and secondary side converters by tracking the extreme value of the output current, and controls the direction of the transmission power of the system. System. It solves the problem of unknown and uncontrollable phase shift angle caused by communication delay, decouples the control of transmission power direction and size, does not need the phase information of high frequency current in the primary and secondary side coils, reduces the difficulty of circuit design and the requirement of operation speed, reduces the cost, and improves the anti-interference and reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种电动汽车双向无线充电系统传输功率控制方法
本专利技术属于无线充电
，尤其涉及一种电动汽车双向无线充电系统传输功率控制方法。
技术介绍
无线电能传输(WirelessPowerTransfer，WPT)技术目前已广泛应用于智能手机、医疗设备、电动汽车、工业自动化等领域。相对于传统有线充电，双向无线充电系统以其无需插拔、即停即充、灵活便捷等特点，较有线充电，更适用于车联网技术(vehicletogrid，V2G)的应用，通过电动汽车与电网间功率的双向流动，在电网的削峰填谷、空载备用、调节峰值功率、自动发电控制等方面有很强的优势。控制对象是电动汽车双向无线充电系统(BidirectionalWirelessChargingSystem，BWCS)，该系统采用串联谐振(SS结构)，原、副边变换器均由全控型H桥构成，即功率可以电网侧传至车载电池，亦可由车载电池回馈至电网。如图1所示，为方便表述和区分，下文将与电网相连的一侧称“原边”，与车载电池相连的一侧称作“副边”。其中，系统原边和副边谐振回路的集中等效电阻分别为R1、R2，系统工作在谐振角频率ω(L1和L2为原、副边线圈的自感，C1和C2为谐振电容的容值)，原边和副边线圈间的互感为M，原边和副边直流母线电压分别为UDC1、UDC2。其中，Sp1，Sp3，Ss1，Ss3分别对应原、副边高频变换器的超前桥臂的上桥臂，Sp2，Sp4，Ss2，Ss4分别对应原、副边高频变换器的滞后桥臂的下桥臂。设原、副边控制器自身信号时钟为CLKp和CLKs，传统方法采用如图2所示原、副边控制信号产生逻辑关系后，原边和副边变换器中两个桥臂输出脉冲的内移相角分别为α、β，原、副边因无线通信延迟造成的相位差为副边控制器脉冲信号与时钟信号的相位差靠进行调整，相应地，外移相角γ可表示为：这种控制信号产生的逻辑关系将控制功率方向的变量γ和控制功率大小的变量α、β耦合在一起，当变量α、β突然变化，会给外移相角γ的带来困难。设原边、副边H桥高频变换器输出电压的基波分量为当系统完全谐振时，有：定义该系统的电压增益GU＝U2/U1，其中，U1和U2高频变换器输出电压中基波分量的幅值。图1所示BWCS系统输出功率Iout和系统传输效率η为充电模式：放电模式：由以上各式可知，静态式电动汽车双向无线充电系统的输出电流由原边和副边变换器内移相角α、β和外移相角γ共同决定，而传输线圈间传输效率由外移相角γ和系统的电压增益GU决定。为使得传输效率最大化，需保证系统运行时，γ保持在π/2(放电模式：3π/2)，可通过调节原、副边变换器内移相角α和β，使得系统输出功率达到指令值Pref的同时，尽可能使电压增益GU满足约束条现有BWCS系统的控制方法，有以下两种：1)一侧变换器运行在高频逆变模式，另一侧变换器运行在不控整流模式，仅通过调节α(放电模式下调节β)，来控制系统的传输功率，其主要问题在于：无法在保证传输功率达到指令值Pref的同时，保证电压增益满足约束条件2)通过在副边线圈之外另增加一辅助线圈，用于与副边线圈电流作差后，获得原边线圈电流的相位，通过跟踪原边电流相位来保证外相角γ维持在π/2(或3π/2)，其主要问题在于：该方法依赖于对原、副边线圈中高频电流间相位差的精确采样，对采样电路和控制器的同步性要求非常较高，且控制带宽受锁相环的参数影响较大，同时，由于测量的是高频信号，受高频电磁干扰的影响较大，系统成本高。为保证系统具有较高的传输效率，要求原、副边变换器控制信号间能够实现严格的相位同步，来保持外移相角γ在π/2(或3π/2，放电模式)附近。但由于现有的无线通讯技术(如蓝牙、ZigBee等)存在毫秒级的通信延迟，而系统的开关周期多在微秒级，且原边和副边控制器晶振存在频率偏差，以上原因会导致外移相角γ处于不可知、不可控的状态。此外，控制传输功率方向的外移相角γ与控制传输功率大小的α和β相互耦合，也给γ的控制带来了困难。
技术实现思路
针对上述BWCS的控制需求及现有技术上的困难，本专利技术提出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：步骤1：对电动汽车双向无线充电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；步骤2：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；步骤3：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。所述互感的计算方法包括：采集系统稳态运行过程中各状态变量的直流成分，且考虑变换器的死区长度对变换器输出电压的影响，通过测量副边输出电流和母线电压直流分量，结合原边母线电压和原、副边谐振回路等效电阻进行互感计算。所述互感的计算公式为：其中，M为互感，UDC1、UDC2分别为原边和副边变换器母线电压直流分量，α0为原边变换器桥臂输出脉冲的初始内移相角，td为变换器的死区长度，Iout为副边变换器输出电流直流分量，R1、R2分别为原边和副边谐振回路的等效电阻，ω为变换器的开关频率。所述原边和副边变换器的内移相角的计算方法包括：考虑变换器的死区长度对变换器输出电压的影响，同时计及不同传输功率指令下内移相角取值范围的限制，计算不同传输功率指令值对应下的原边和副边变换器的内移相角。所述原边和副边变换器的内移相角的计算公式包括：令中间变量中间变量λ＝(ωM)2+R1R2①若且则取②若且则取③若且则取④若且则取β＝π,α＝π其中，R1、R2分别为原边和副边谐振回路的等效电阻，ω为变换器的开关频率，M为互感，Pref为传输功率指令值，UDC1、UDC2分别为原边和副边变换器母线电压直流分量，td为变换器的死区长度，α、β分别为原边和副边变换器的内移相角。所述各桥臂开关信号的相位为：原边变换器的超前桥臂中上桥臂开关控制信号Sp1相对于基准超前移动α/2，滞后桥臂上桥臂开关控制信号Sp3相对于基准滞后移动α/2；副边变换器的超前桥臂中上桥臂开关控制信号Ss1相对于基准超前移动相位滞后桥臂开关控制信号Ss3相对于基准滞后移动从而满足外移相角γ不受原边和副边变换器的内移相角α和β影响，为原边和副边控制器脉冲信号因无线通信延迟造成的相位差，为副边控制器脉冲信号与时钟信号的相位差。所述步骤3具体包括：先根据输出功率指令值的正负判断系统是工作在充电模式还是放电模式，然后对控制信号施加扰动根据输出电流的变化方向，对输出电流充电模式下的最大值或放电模式下的最小值进行跟踪，从而实现原、副边变换器控制信号的相位同步，对传输功率的方向进行控制。所述步骤3在充电模式下具体包括：步骤301：设副边控制器在k-1时刻开始相位同步，若传输功率指令值Pref>0，判断系统工作在充电模式，记录此刻输出电流的直流分量为Iout(k-1)；步骤302：一个扰动周期Tc后，即在k时刻，施加一正向扰动副边控制器脉冲信号输出相位变为测量并记录此时输出电流中直流分量为Iout(k)；步骤303：比较Iout(k-1)和Iout(k)的大小：若Iout(k)>Iout(k-1)，说明系统向输出电流增大的方向移动，继续施加正向扰动即直到n个控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电动汽车双向无线充电系统传输功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对电动汽车双向无线充电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；步骤2：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；步骤3：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。

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车双向无线充电系统传输功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对电动汽车双向无线充电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；步骤2：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；步骤3：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。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述互感的计算方法包括：采集系统稳态运行过程中各状态变量的直流成分，且考虑变换器的死区长度对变换器输出电压的影响，通过测量副边输出电流和母线电压直流分量，结合原边母线电压和原、副边谐振回路等效电阻进行互感计算。3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述互感的计算公式为：其中，M为互感，UDC1、UDC2分别为原边和副边变换器母线电压直流分量，α0为原边变换器桥臂输出脉冲的初始内移相角，td为变换器的死区长度，Iout为副边变换器输出电流直流分量，R1、R2分别为原边和副边谐振回路的等效电阻，ω为变换器的开关频率。4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述原边和副边变换器的内移相角的计算方法包括：考虑变换器的死区长度对变换器输出电压的影响，同时计及不同传输功率指令下内移相角取值范围的限制，计算不同传输功率指令值对应下的原边和副边变换器的内移相角。5.根据权利要求1或4所述方法，其特征在于，所述原边和副边变换器的内移相角的计算公式包括：令中间变量中间变量λ＝(ωM)2+R1R2①若且则取②若且则取③若且则取α＝π④若且则取β＝π,α＝π其中，R1、R2分别为原边和副边谐振回路的等效电阻，ω为变换器的开关频率，M为互感，Pref为传输功率指令值，UDC1、UDC2分别为原边和副边变换器母线电压直流分量，td为变换器的死区长度，α、β分别为原边和副边变换器的内移相角。6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各桥臂开关信号的相位为：原边变换器的超前桥臂中上桥臂开关控制信号Sp1相对于基准超前移动α/2，滞后桥臂上桥臂开关控制信号Sp3相对于基准滞后移动α/2；副边变换器的超前桥臂中上桥臂开关控制信号Ss1相对于基准超前移动相位滞后桥臂开关控制信号Ss3相对于基准滞后移动从而满足外移相角γ不受原边和副边变换器的内移相角α和β影响，为原边和副边控制器脉冲信号因无线通信延迟造成的相位差，为副边控制器脉冲信号与时钟信号的相位差。7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：先根据输出功率指令值的正负判断系统是工作在充电模式还是放电模式，然后对控制信号施加扰动根据输出电流的变化方向，对输出电流充电模式下的最大值或放电模式下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘方，陈凯楠，赵争鸣，檀添，蒋烨，袁立强，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11