一种电动汽车失谐无线充电系统的建模方法及控制方法

本发明涉及电动汽车无线充电，尤其涉及一种电动汽车失谐无线充电系统的建模方法及控制方法。

背景技术：

1、目前，新能源汽车特别是电动汽车的实用化前景愈加明晰，环电动汽车产业随之蓬勃发展，其中汽车电池动态无线充电技术已成为应用研究的热点。近年来，研究关注点逐渐转向动态系统的设计与控制、效率提升以及价格等方面。充电效率影响到用户使用、环境友好及成本维护等多个方面，是充电系统应当关注的重点，对于电动汽车动态无线充电过程而言，电动汽车在道路上行驶时，间隙距离随时间变化，特别是在不同的负载条件下，耦合强度也会随运动变化，接收线圈与发射线圈的耦合强度对系统传输效率与功率影响显著。

2、在实际充电过程中，不论是线圈和电容的生产制造误差，还是使用过程中电感和电容参数的变化，都会导致无线充电系统的失谐，系统偏离最佳工作点，甚至失去零电压开关(zero voltage switching zvs)的条件，进而影响系统传输效率与功率，目前主流针对磁共振式无线充电系统的建模通常只考虑元件参数固定且工作在谐振条件下，因此通过建立合适的失谐无线充电系统模型以获得更佳的拟真性，对于无线充电系统在电动汽车领域的应用很有必要。

3、鉴于此，在传统的串联调谐磁共振式无线充电系统模型基础上，引入电感电容偏差值建立失谐串联调谐磁共振式无线充电系统系统模型，在控制方法方面，鉴于ss补偿(串联调谐)结构的固有特性，在不加控制时，虽然系统仍可维持在谐振状态，但是由于线圈互感发生变化，充电电流会改变(互感变小，充电电流变大)。同时，车辆的运动会导致互感值实时变化，需要实时精确地测量互感值以确保控制的精度。

4、鉴于以上特性，通过使用高速电流、电压传感器监测实时电路参数变化，并以参数偏差值修正控制器传递函数，后使用比例-积分-微分(proportional-integral-derivative pid)控制脉冲宽度调制(pulse width modulation pwm)波占空比实现逆变器开关控制，保持失谐充电系统的输出电压(功率)稳定。

5、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，故本发明提供一种电动汽车失谐无线充电系统的建模方法及控制方法，通过在建立的模型中加入元件偏差参数与真实物理系统相对应，用于系统稳定性分析，能够保证失谐无线充电系统的稳定功率输出，以解决现有技术中充电系统在失谐状态下的输出功率不稳定的问题。

2、本发明提供一种电动汽车失谐无线充电系统的建模方法，电动汽车失谐无线充电系统为电动汽车串联调谐磁共振式无线充电系统，建模方法包括：

3、s10、设计电动汽车串联调谐磁共振式无线充电系统的模型主电路；

4、s20、对模型主电路采用一次谐波近似法和t型等效法进行数学建模，得到无线充电系统模型；

5、s30、向无线充电系统模型引入偏差参数和名义参数，得到失谐无线充电系统模型。

6、于本发明的一实施例中，在步骤s10中，模型主电路包括：

7、发射端主电路，其包括全桥逆变电路及第一串联谐振电路，全桥逆变电路的输入端连接直流电源、输出端连接第一串联谐振电路的输入端；

8、接收端主电路，其包括全桥整流电路及第二串联谐振电路，第二串联谐振电路的输出端连接全桥整流电路的输入端，全桥整流电路的输出端连接负载；

9、其中，第一串联谐振电路和第二串联谐振电路成对设置，并通过各自的线圈形成互感。

10、于本发明的一实施例中，s20包括：

11、s21、对模型主电路的输入电压采用一次谐波近似法的一次谐波简化进行处理、构建无线充电系统模型的向量方程组，其向量方程组模型为(公式中的下标p和s分别表示发射端和接收端的参数)：

12、

13、其中，uab为输入电压，rp为发射端电阻，xp为发射端参数，ip为发射端电流，xs为接收端参数，rs接收端电阻，is为接收端电流，rl为负载阻值，xs表示发射端等效阻抗，xp为发射端参数，ω表示输入交流电压频率，m表示发射端线圈与接收端线圈互感值。

14、s22、对模型主电路进行t型等效法处理、得到简化的无线充电系统模型的输入阻抗zin、输出功率pout及效率η：

15、

16、

17、

18、其中，ip表示发射端电流、ω表示输入交流电压频率、is表示接收端电流、xs表示接收端等效阻抗、rl表示负载的阻值、m表示发射端线圈与接收端线圈互感值，rs接收端电阻，rp为发射端电阻，xp为发射端参数，xs表示发射端等效阻抗，req为等效负载电阻。

19、于本发明的一实施例中，在s21的步骤中，还包括：

20、对模型主电路的输入电压进行忽略高次谐波影响处理，则输入电压基波分量等效负载电阻req：

21、

22、

23、其中，ubus为发射端输入电压的幅值、ω表示输入交流电压频率；

24、确保无线充电系统模型处于磁共振状态、且使发射端主电路和接收端主电路中各自的线圈谐振频率保持一致，

25、

26、其中，lp表示发射端电感、cp表示发射端电容、ls表示接收端电感、cs表示接收端电容，以构建无线充电系统模型的向量方程组。

27、于本发明的一实施例中，在s22的步骤中，还包括：

28、将全桥逆变电路等效为串联电阻rp的直流电压源，将全桥整流电路等效为与电阻rs串联的负载，将成对设置的第一串联谐振电路和第二串联谐振电路等效为电感m，以将模型主电路简化为二端口网络，得到所述无线充电系统模型的所述输入阻抗zin、所述输出功率pout及所述效率η。

29、于本发明的一实施例中，s30包括：

30、s31、向所述无线充电系统模型中代入所述偏差参数和所述名义参数，所述偏差参数包括所述发射端主电路与所述接收端主电路中各自线圈的电感偏差率及电容偏差率所述名义参数包括名义有载品质因数ql0，所述发射端主电路的名义品质因素qp0，所述接收端主电路的名义品质因素qs0，名义耦合系数k以及归一化频率fn，发射端线圈自感的标称值ls0，接收端线圈自感的标称值lp0：

31、

32、s32、基于电感偏差率与电容偏差率的可等效原理，将模型主电路中发射端主电路和接收端主电路的同侧电感、电容的偏差值等效为参数等效公式：

33、

34、并将所述参数等效公式代入所述失谐无线充电系统模型中，然后将电容参数偏差与电感参数偏差统一表示为电感偏差和分别表示发射端主电路的电感参数偏差值和接收端主电路的电感参数偏差值，其公式如下；

35、

36、s33、基于将参数等效公式代入简化的失谐无线充电系统模型中进行化简，得到简化的失谐无线充电系统模型的效率η、输入阻抗zin1及功率增益gp：

37、

38、

39、

40、本发明还提供一种电动汽车失谐无线充电系统的控制方法，控制方法应用上述的电动汽车失谐无线充电系统的建模方法所建立的失谐无线充电系统模型对电动汽车失谐无线充电系统进行控制，包括：

41、s41、基于无线通讯方式获取电动汽车无线充电系统的模型主电路中接收端主电路的第一传感器检测的第一电参数；

42、s42、获取模型主电路中发射端主电路和接收端主电路中各自的第二传感器检测的第二电参数，并按设定算法矫正第二传感器的等效偏差值，且根据第一电参数、第二电参数及等效偏差值计算第三电参数进行输出；

43、s43、获取等效偏差值和第三电参数，并以接收的等效偏差值和第三电参数为参考对失谐无线充电系统模型的传递函数进行矫正，且将失谐无线充电系统模型中输入的参考功率p0与第三电参数中的输出功率pout的差值δp传入传递函数中得到功率偏差值δp1，并以功率偏差值δp1输入到比例-积分-微分pid控制模块中得到输出的占空比d，再将占空比d传输到脉冲宽度调制pwm波驱动模块中；

44、s44、pwm波驱动模块以占空比d驱动发射端主电路中逆变器的功率晶体管开关工作，以实时调整逆变器的输出电压。

45、于本发明的一实施例中，第一电参数包括输出电流iout、、输出电压值uout、峰值输出电流is_peak，第二电参数包括电感参数cx和电容参数lx，等效偏差值包括发射端主电路的等效偏差值和接收端主电路的等效偏差值第三电参数包括输出功率pout及耦合系数k，且输出功率pout根据输出电流iout、和输出电压值uout计算获得。

46、本发明进一步提供一种电子设备，包括存储器以及处理器，存储器用于存储支持处理器执行如上述电动汽车失谐无线充电系统的建模方法与控制方法的程序，处理器被配置为用于执行存储器中存储的程序。

47、本发明还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行上述电动汽车失谐无线充电系统的建模方法与控制方法的步骤。

48、本发明的有益效果至少包括：

49、1、本发明提供了一种电动汽车失谐无线充电系统的建模方法及控制方法，通过在建立的数学模型中加入元件的偏差参数以与真实物理系统相对应，相比其他等效失谐无线充电系统的建模与控制方法具有对实际工程问题时更强的拟真性，为失谐无线充电系统的控制提供理论基础。

50、2、通过将元件的偏差参数融入数学建模中，用于电动汽车失谐无线充电系统的稳定性分析，配合考虑元件的参数偏差提供的电动汽车失谐无线充电系统的控制方法，能够保证电动汽车失谐无线充电系统的稳定功率输出。

51、3.通过在建模方法和控制方法中将电感参数偏差与电容偏差等效，进而在简化电动汽车失谐无线充电系统建模方法的同时，简化了控制方法，对基于可控电感电容的电路控制策略提供了启示。

52、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。