深圳大学科研人员提出电动汽车动态无线充电系统的恒流控制方法

Researchers from Shenzhen University proposed a constant current control method for dynamic wireless charging system of electric vehicles

作者：本站  来源：转载  浏览：586  发布时间：2023-10-16

动态无线电能传输（DWPT）能够为行驶中的电动汽车提供能量补给，有助于缓解里程焦虑、节省充电时间。然而，车辆行驶过程中发生的随机性横向偏移以及分段导轨切换区域的耦合关系变化等，都会引起充电功率波动。

深圳大学物理与光电工程学院、深圳职业技术学院汽车与交通学院的田勇、冯华逸、田劲东、向利娟，在2023年第9期《电工技术学报》上撰文，以LCC-S型磁耦合谐振式动态无线电能传输系统为例，提出一种结合卡尔曼滤波和模型预测控制的恒流控制方法。他们的研究结果表明，该控制器显著提高了恒流控制速度，并且对互感变化具有很强的鲁棒性。

磁耦合谐振式无线电能传输作为一种安全、高效的近场能量传输技术，近年来在电动汽车无线充电领域得到了广泛研究和应用。根据无线充电过程中车辆是处于泊车状态或行驶状态，可分为静态无线充电和动态无线充电。其中，动态无线充电由于具有安全性高、节省充电时间和场地、能够在汽车行驶过程中充电进而缓解里程焦虑等优点，成为无线充电领域的一个研究热点，具有广阔的应用前景。

分段导轨式电动汽车动态无线充电系统的示意图如图1所示，在电动汽车行驶过程中，路面下的供电导轨（线圈）实时为其提供电能。由于车辆行驶过程中不可避免地发生随机性横向偏移以及分段导轨切换区域的耦合关系改变，线圈之间的互感系数和系统等效负载都将发生变化，导致系统长期处于不健康的工作状态以及输出功率无法稳定在额定范围内。因此需要采取有效措施，使系统能够对上述情况做出快速响应且具有较强的鲁棒性。

针对上述问题，国内外已经从系统参数优化、谐振拓扑改进、多接收线圈/供电导轨协同等方面展开了广泛研究，以提升动态无线充电功率的稳定性。然而，一方面系统参数优化和谐振拓扑改进方法只能在一定范围内保持系统输出功率的相对稳定，并且无法解决导轨切换过程中的功率波动问题；另一方面多接收线圈/供电导轨协同方法，虽然可以有效降低线圈偏移和导轨切换条件下的功率波动，但往往需要依赖于额外的车辆位置检测和导轨切换策略，从而增加了系统的成本和复杂程度，并且需要解决多线圈之间的交叉耦合问题。

相比于上述方法，采用控制器对系统输出功率进行调节的方式，对系统设计没有过多的约束，所需硬件成本更低且适应性更强。

基于文献分析，深圳大学物理与光电工程学院、深圳职业技术学院汽车与交通学院的研究人员为满足动态无线电能传输系统的快速响应和强鲁棒性需求，提出一种针对互感和负载动态变化条件下的负载电流快速调节方法。

他们首先采用状态空间平均建模方法得到系统二次侧Buck降压电路的近似模型，基于此模型设计MPC控制器；然后，引入卡尔曼滤波算法在线估计Buck电路电感电流和电容电压，以减少物理传感器数量、节省硬件成本，在仅检测负载电流的条件下，即可实现对系统负载电流的快速调节。

图3 动态无线充电实验系统

仿真和实验结果结果表明，在具有相近超调量的条件下，模型预测控制器的响应速度明显优于传统的PI控制器，并且对互感和负载的变化具有较强的鲁棒性，能够满足动态无线电能传输系统的应用需求。与其他现有技术相比，本文方法无需一次侧和二次侧通信，对系统模型的依赖度低。