如何实现电动汽车无线充电的自整定控制？天工大学者发布研究成果

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针对电动汽车需要分段式恒流充电以及无线充电的输出电流易受自身参数和环境变化影响的问题，天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员张献、任年振、杨庆新、王杰，在2020年第23期《电工技术学报》上撰文，提出了一种基于双LCC补偿拓扑结构下电流-电流环的双闭环控制策略，实现了电动汽车无线充电的自整定控制。仿真验证表明，该系统能够有效减小动态响应时间和输出电流纹波系数。

近年来，国内汽车的电动化、智能化、网联化、共享化已成为当今行业的趋势性共识。随着国内外对电动汽车的研究日益增多、电动汽车产量的逐步升温，其充电问题逐渐凸显，无线充电技术以其方便、运行可靠性高、适应环境能力强等优点被认为是一种潜在的解决方案。《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》中要求，到2020年突破电动汽车无线充电技术，以电动汽车无线充电为突破点和应用对象，研发高效率、低成本的无线充电系统。

目前，国内外采用的电动汽车无线充电多为恒流充电，虽然恒流充电可以较为快速地为动力电池补充电能，但是持续的恒流充电会造成电池严重的极化现象，进而缩短动力电池的使用寿命。针对以上问题，有学者提出了可调自励振荡开关技术，实现电动汽车无线充电的高效率、高能量传输，并利用变相位技术限制电流超调，但当系统参数变化时，系统不能及时响应进而影响电池寿命，而且控制方法较为复杂。

有学者基于LCL-LCL补偿拓扑结构，采集原边输出电流与给定电流后传输给控制器，控制器采用 PWM控制策略调节逆变电路开关管的占空比来实现输出电流的控制。但此控制系统采用的是传统PI控制方法，动态响应较慢。基于双LCC补偿拓扑的电动汽车多阶段恒流无线充电，将动力电池的充电阶段划分为若干个恒流充电阶段，但该方法为了避免出现过充电，将标准电流设置偏小，因此充电时间仍然较长，而且不具备自整定能力，充电过程容易出现过充电现象，对蓄电池寿命不利。

有学者分析了基于LCL-T拓扑无线充电系统的动态特性，并利用广义状态空间平均建模方法建立系统的大信号模型与小信号模型，并设计数字PI控制器。有学者仅考虑一次侧电路，未对二次侧电路进行动态分析。有学者虽考虑一次、二次侧完整电路，但是推导方式过于繁琐，而且对于电动汽车无线充电系统，双LCC拓扑结构抗偏移性更强，且具有恒压恒流输出特性。

基于上述问题，针对电动汽车需要分段式恒流充电以及无线电能传输的输出电流易受自身参数和环境变化影响的问题，天津工业大学的研究人员在考虑电动汽车无线充电系统结构拓扑的整体性与实用性的基础上，分析了高阶双LCC补偿拓扑的动态特性，并利用扩展函数描述（EDF）建模方法建立了反映系统扰动的小信号模型，提出了一种基于双LCC补偿拓扑结构下电流环-电流环的双闭环控制策略。

图1  电动汽车无线充电系统

研究人员进而设计了数字控制器，并通过仿真与实验验证了理论推导的正确性，提高了闭环系统的动态特性，使得输出电流与动力电池最佳充电曲线重合，实现了电动汽车无线充电的自整定控制，进一步推动了电动汽车动力电池的智能化快速充电和均衡充电的发展。

图2  基于双LCC无线电能传输电流-电流环双闭环系统仿真图

图3  电动汽车无线充电实验平台

同时，研究人员还搭建了功率等级为1.5kW的无线充电实验平台，该系统提高了系统的动态响应能力，响应时间为22ms（提升了60%），且超调量可忽略不计；有效减小了输出电流的波纹系数，波纹系数减小到3%（提升了12%）。这验证了该系统的可行性，为电动汽车动态无线充电系统优化提供了理论依据。

以上研究成果发表在2020年第23期《电工技术学报》，论文标题为“电动汽车无线充电自整定控制”，作者为张献、任年振、杨庆新、王杰。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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