一种用于LCC型无线充电系统充放电过程的优化控制方法与流程

一种用于lcc型无线充电系统充放电过程的优化控制方法
技术领域
1.本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，特别涉及一种用于lcc型无线充电系统充放电过程的优化控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着科学技术的发展，无线充电(wireless power transfer，wpt)逐渐取代有线充电进入市场。由于wpt系统具有高安全性、高可靠性和灵活性等优点，引起了国内外众多学者和业界人士的密切关注，其中，双向wpt(bidirectional wpt，bwpt)系统可以使得能量在两个系统之间交换，可以使得电动汽车参与电网的调配，可以实现有序充电、削峰填谷等优化运行功能，而无线充电系统所提供的便利性使得用户更加乐意参与这一调控行为，最终在形成规模化之后，电动汽车将作为智能配电网中的一类分布式储能系统，对提升未来能源互联网的稳定性和智能性起到重要作用。
3.基于双边lcc谐振拓扑的bwpt(lcc-bwpt)系统在谐振功率点附近有着很好的鲁棒特性，可以实现向电池侧的稳定恒流和恒压充电，此外，其还具有很高的功率因素、输出电流和负载解耦、谐振电流和耦合系数解耦的优点。然而，在车载电池电压产生较大变化和对电池充电的两个特殊阶段使用时，系统的直流母线侧和车载电池侧的高频逆变全桥输出的电压电流相位产生很大的相移，这使得系统的功率因素降低，系统的有功损耗增加系统的整体效率降低。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于lcc型无线充电系统充放电过程的优化控制方法，通过对电池的恒流充电阶段、恒压充电阶段和恒流放电阶段进行效率优化，整体提升直流母线侧到车载电池侧和车载电池侧的效率。所述技术方案如下：
5.一种用于lcc型无线充电系统充放电过程的优化控制方法，所述无线充电系统包括直流母线侧的第一h桥、车载电池侧的第二h桥、第一传能线圈单元和第二传能线圈单元，所述第一传能线圈单元和第二传能线圈单元采用lcc谐振拓扑结构，所述第一传能线圈单元接入至所述第一h桥，并根据所述第一h桥的驱动向外输出无线功率，所述第二传能线圈单元接入至所述第二h桥，并将接收到电能通过所述第二h桥的整流向所述车载电池充电；
6.所述优化控制方法采用复合控制模式，其包括：
7.在所述无线充电系统处于恒流充电时，保持所述第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2不变，调整所述无线充电系统的工作频率f以及两者之间的外部移相角以使得两侧h桥中的开关管为零电压开关；
8.在所述无线充电系统处于恒压充电时，保持所述无线充电系统的工作频率f不变，所述第一h桥的内部移相角α1等于第二h桥的内部移相角α2，调整所述第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2以及两者之间的外部移相角以使得两侧h桥中的开关管为零电压开关。
9.进一步地，所述第一h桥和第二h桥中同一相臂的两个开关管的驱动信号互补。
10.进一步地，在所述无线充电系统处于恒流充电时，所述第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2均为π保持不变。
11.进一步地，所述第一h桥和第二h桥的输出占空比为50％的方波。
12.进一步地，在所述无线充电系统处于恒流充电时，根据所述第一h桥和第二h桥输出电流小于零的区间，结合所述第一h桥和第二h桥的开关管实际零电压开关电流要求，得到开关时刻所需的最小死区时刻电流，由所述最小死区时刻电流确定最优的f和
13.进一步地，在所述无线充电系统处于恒压充电时，所述第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2的调节范围均为[0,π]，且α1＝α2。
[0014]
进一步地，所述第一h桥和第二h桥输出占空比小于50％的方波。
[0015]
进一步地，所述第一h桥和第二h桥之间的外部移相角大于或者等于所述第一h桥的内部移相角α1。
[0016]
进一步地，在所述无线充电系统处于恒流放电时，所述车载电池作为电源，直流母线作为负载，控制所述无线充电系统在谐振功率点工作，保持所述第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2不变，调整两侧h桥的工作频率f以及两者之间的外部移相角以使得两侧h桥中的开关管为零电压开关。
[0017]
进一步地，所述无线充电系统的能量传输方向由所述外部移相角控制，在所述车载电池两端的电压变化时，通过控制f、α1和α2对所述车载电池的充电电流和放电电流的大小进行控制，以实现两侧h桥中的开关管为零电压开关。
[0018]
本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：实现无线充电系统的恒流充电和恒压充电，同时实现双侧h桥高功率因数运行和全部开关管为零电压开关，减小系统的导通损耗和开关损耗，提高系统的传输效率。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1是本发明实施例提供的无线充电系统的结构示意图；
[0021]
图2是本发明实施例提供的无线充电系统的nb工作模态电路示意图；
[0022]
图3是本发明实施例提供的无线充电系统的pb工作模态电路示意图；
[0023]
图4是本发明实施例提供的无线充电系统的ob工作模态电路示意图；
[0024]
图5是本发明实施例提供的无线充电系统的工作模态电路示意图；
[0025]
图6是本发明实施例提供的无线充电系统的工作模态电路示意图；
[0026]
图7是本发明实施例提供的无线充电系统的工作模态电路示意图；
[0027]
图8是本发明实施例提供的无线充电系统恒流充电阶段的pwm控制波形示意图；
[0028]
图9是本发明实施例提供的无线充电系统恒压充电阶段的pwm控制波形示意图。
[0029]
其中附图标记：11-第一h桥，12-第二h桥，21-第一传能线圈单元，22-第二传能线
圈单元。
具体实施方式
[0030]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0031]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0032]
在本发明的一个实施例中，提供了一种用于lcc型无线充电系统充放电过程的优化控制方法，所述无线充电系统为lcc-bwpt系统，其包括直流母线侧的第一h桥11、车载电池侧的第二h桥12、第一传能线圈单元21和第二传能线圈单元22，所述第一传能线圈单元和第二传能线圈单元采用lcc谐振拓扑结构，所述第一传能线圈单元接入至所述第一h桥，并根据所述第一h桥的驱动向外输出无线功率，所述第二传能线圈单元接入至所述第二h桥，并将接收到电能通过所述第二h桥的整流向所述车载电池充电；所述优化控制方法采用复合控制模式，其包括：
[0033]
在所述无线充电系统处于恒流充电时，保持所述第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2不变，调整所述无线充电系统的工作频率f以及两者之间的外部移相角以使得两侧h桥中的开关管为零电压开关；
[0034]
在所述无线充电系统处于恒压充电时，保持所述无线充电系统的工作频率f不变，调整所述第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2以及两者之间的外部移相角以使得两侧h桥中的开关管为零电压开关。
[0035]
在所述无线充电系统处于恒流放电时，所述车载电池作为电源，直流母线作为负载，控制所述无线充电系统在谐振功率点工作，保持所述第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2不变，调整两侧h桥的工作频率f以及两者之间的外部移相角以使得两侧h桥中的开关管为零电压开关。
[0036]
具体地，第一h桥中的四个开关管分别记作s
ll
、s
l2
、s
l3
和s
14
，第二h桥中的四个开关管分别记作s
2l
、s
22
、s
23
和s
24
，如图1分布。对所述无线充电系统的基础工作模态进行划分，如图2至图7所示，本实施例将所述无线充电系统共有6种基础模态电路，分别记作为：nb、pb、ob、和下标b代表系统是双向传输系统。
[0037]
nb模态的电路如附图2所示，在该电路中，u1＝u
dc1
，u2＝-u
dc2
，对于第一h桥，s
ll
和s
14
导通，对于第二h桥，s
22
和s
23
导通。
[0038]
pb模态的电路如附图3所示，在该电路中，u1＝u
dc1
，u2＝u
dc2
，对于第一h桥，s
ll
和s
14
导通，对于第二h桥，s
21
和s
24
导通。
[0039]
ob模态的电路如附图4所示，在该电路中，u1＝u
dc1
，u2＝0，对于第一h桥，s
ll
和s
14
导通，对于第二h桥，s
21
和s
22
导通或s
23
和s
24
导通。
[0040]
模态的电路如附图5所示，在该电路中，u1＝0，u2＝-u
dc2
，对于第一h桥，s
ll
和s
12
导通，对于第二h桥，s
22
和s
23
导通。
[0041]
模态的电路如附图6所示，在该电路中，u1＝0，u2＝u
dc2
，对于第一h桥，s
ll
和s
12
导通，对于第二h桥，s
21
和s
24
导通。
[0042]
模态的电路如附图7所示，在该电路中，u1＝0，u2＝0，对于第一h桥，s
ll
和s
12
导通，对于第二h桥，s
21
和s
22
导通或s
23
和s
24
导通。
[0043]
所述无线充电系统在不同的充放电阶段将会采用上述多种模态组合，
[0044]
第一h桥和第二h桥中同一相臂的两个开关管的驱动信号互补，第一h桥或第二h桥中不同相臂相同位置的开关管的驱动信号移相角即为内部移相角，第一h桥和第二h桥相同位置的开关管的驱动信号移相角即为外部移相角。在此假设系统一个运行周期的起始时刻为第一h桥开始输出正电压电平的时刻，系统控制自由度分别为工作频率f、第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2、第一h桥和第二h桥的外部移相角α1代表在一个运行周期内，第一h桥输出正电压电平的总时长，α1的大小由第一h桥的s
11
管驱动信号u
g11
超前s
12
管驱动信号u
g12
的总时长决定，如在图8中，α1＝π，如在图9中，0≤α1≤π；α2代表在一个运行周期内，第二h桥输出正电压电平的总时长，α2的大小由第二h桥的s
21
管驱动信号u
g21
超前s
22
管驱动信号u
g22
的总时长决定，如在图8中，α2＝π，如在图9中，0≤α2≤π；代表第一h桥的s
11
管驱动信号u
g11
超前第二h桥的s
21
管驱动信号u
g21
的总时长，如图8和图9所示。
[0045]
所述无线充电系统控制自由度有工作频率f、第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2、第一h桥和第二h桥的外部移相角系统的工作由控制自由度的组合决定。
[0046]
(1)恒流充电过程
[0047]
针对该阶段，第一h桥的内部移相角α1＝π、第二h桥的内部移相角α2＝π，控制系统频率f和外部移相角进而控制系统对车载电池的充电电流，此时系统的基本工作模态有nb和pb，nb模态的电路如附图2所示，pb模态的电路如附图3所示，下标b代表系统是双向传输系统，第一h桥和第二h桥的外部移相角的调节范围为[0,π]。
[0048]
在该过程中，n
b pb情况是最优的工作工况，此时系统的第一h桥和第二h桥的外部移相角为对于第一h桥，s
11
和s
13
互补导通，s
12
和s
14
互补导通，s
11
和s
12
的驱动信号相差为π，第一h桥输出占空比为50％的方波，对于第二h桥，s
21
和s
23
互补导通，s
22
和s
24
互补导通，s
21
和s
22
的驱动信号相差为π，第二h桥输出占空比为50％的方波，s
11
和s
21
的驱动信号相差为此时第一h桥和第二h桥的输出电压相位相差为此时直流母线侧向电池侧传输功率，大小由控制，在逐渐变大时，第一h桥和第二h桥的所有开关管可实现zvs控制，在保证传输功率大小的同时提升系统的效率。
[0049]
在恒流充电阶段，所述系统的最优工作情况是n
b pb，此时系统的控制信号波形和输出电压电流波形如附图8所示。为了减小系统的开关损耗，求解系统模型，使得电池充电电流恒定且此时的第一h桥的和第二h桥的输出电流小于零，以满足zvs控制要求，再结合第一h桥和第二h桥的所有开关管的实际zvs开关电流要求，求得开关时刻所需的最小死区时
刻电流，如附图8所示，由最小死区时刻电流确定最优的f和
[0050]
(2)恒压充电过程
[0051]
在该阶段，车载电池经过恒流充电阶段，车载电池电压和直流母线电压已经接近相等，此时控制该系统在谐振功率点工作，控制第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2、第一h桥和第二h桥的外部移相角对车载电池进行恒压充电，此时电池电压有轻微的上升，电池充电电流逐渐减小，此时控制第一h桥的内部移相角α1和第二h桥的内部移相角α2相等，即α＝α1＝α2，控制α和控制系统的充电电流，两者的调节范围为[0,π]，此时系统的基本工作模态有nb、pb、ob、nb模态的电路如附图2所示，pb模态的电路如附图3所示，ob模态的电路如附图4所示，模态的电路如附图5所示，模态的电路如附图6所示，模态的电路如附图7所示，下标b代表系统是双向传输系统。
[0052]
在该过程中，n
b ob情况是工作范围最宽，是系统工作较优的模式组合，此时系统的第一h桥和第二h桥的内部移相角α＝α1＝α2，第一h桥和第二h桥的外部移相角对于第一h桥，s
11
和s
13
互补导通，s
12
和s
14
互补导通，s
11
和s
12
的驱动信号相差为α，第一h桥输出占空比小于50％的方波，对于第二h桥，s
21
和s
23
互补导通，s
22
和s
24
互补导通，s
21
和s
22
的驱动信号相差为α，第二h桥输出占空比小于50％的方波，s
11
和s
21
的驱动信号相差为且此时第一h桥和第二h桥的输出电压相位相差为此时双侧h桥均可实现zvs工作模式。
[0053]
在恒压充电阶段，系统的最优工作情况为n
b ob系统的控制信号波形和输出电压电流波形如附图9所示。为了减小系统的开关损耗，求解系统模型，使得电池充电电流恒定且此时的第一h桥的和第二h桥的输出电流小于零，以满足zvs控制要求，此时求解的解为第一h桥和第二h桥的内部移相角和第一h桥和第二h桥的外部移相角构成的区域，再结合第一h桥和第二h桥的所有开关管的实际zvs开关电流要求，求得开关管时刻最优的死区时刻电流，由于此在此充电阶段第一h桥和第二h桥的输出电压的占空比均小于50％，两个高频h桥，工作时一个工作在逆变模式，一个工作在可控整流模式，超前桥臂的开关特性和滞后桥臂的开关特性不一致，对于第一h桥，s
11
和s
14
更难实现zvs控制，对于第二h桥，s
21
和s
23
更难实现zvs控制，在此求解最优结果时以实现s
11
、s
14
、s
21
和s
23
的zvs为目标，通过对求解域中的s
11
、s
14
、s
21
和s
23
四个开关管的开启电流的大小，最后获得此时在要求电流情况下的最优α和
[0054]
(3)恒流放电阶段
[0055]
在该阶段，车载电池作为电源，直流母线作为负载，此时控制该系统在谐振功率点工作，控制第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2、第一h桥和第二h桥的外部移相角对车载电池进行恒流放电控制，在此阶段，车载电池以额定的要求输出恒定的放电电流，在车载电池放电过程中，电池的电压逐渐降低，为了保障恒定的电流输出，故可使第一h桥的内部移相角α1＝π，第二h桥的内部移相角α2＝π，控制系统频率f和外部移相角进而控制车载电池的放电电流恒定，即对于此阶段的反向功率传输问题，工作情况和车载电池恒流放电时一样，唯一不同的是，此时控制第一h桥和第二h桥的驱动信号，使得第二h桥的输出电压波形超前第一h桥的输出电压波形。该恒流放电阶段可应于野外需要临时用电
的情况，将电动汽车的车载电池的电能通过无线传输到外界的设备，可用于给其他电器充电。
[0056]
需要说明的是，上述三个阶段采用的模态组合包括上述但不限于此，还应包括其他相关的组合形式。
[0057]
本发明提供的用于lcc型无线充电系统充放电过程的优化控制方法优化控制工作频率f、第一h桥的内部移相角α1、第二h桥的内部移相角α2、第一h桥和第二h桥的外部移相角实现双向充电系统的恒流充电、恒压充电和恒流放电，同时实现双侧h桥高功率因数运行和全部开关管为零电压开关，减小系统的导通损耗和开关损耗，提高系统的传输效率。
[0058]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。