电动汽车无线充电的启动阶段控制策略

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近年来,无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术被广泛应用于各种场合中,比如电动汽车等。具体而言,在电动车辆(ElectricVehicle,简称EV)上运用无线充电技术进行充电,避免了充电线路暴露在室外发生漏电短路等风险,同时电动汽车在动态行驶过程中进行无线充电,能有效缩短充电时间,提升效率。目前,电动汽车所用车载电池绝大多数都是铅酸蓄电池,此类电池的等效电阻具有非线性的特点,在充电过程中等效电阻随着充电功率的变化而变化,对充电控制器的设计有着极高的要求。同时由于电动汽车充电应用场景的多样性,例如充电车辆底盘不同、材料不一样、停车位置的偏差以及电池电量不同等,在运用无线充电技术时,启动充电阶段极有可能会造成充电电流过流的问题,而现有的恒压/恒流充电控制技术并未专注于启动充电阶段的控制。
  针对电动汽车无线充电系统启动充电时出现的过流问题,文中主要从启动工作频率和启动电压两个方面对系统的启动策略进行了参数设计,来保证系统正常启动充电。基于WPT模型中LC串联-串联补偿谐振网络结构,首先,分析了谐振电路自谐振频率偏移、车辆充电位置偏移及电池电量不同等条件下系统可能出现的过流问题;接着,分析了系统相角与工作频率的关系以保障系统在零电压切换(Zero-Voltage-Switching,ZVS)状态下运行,基于Matlab仿真得到系统的最佳工作频率范围与初始启动频率;然后,设计了基于斜坡的电压软启动控制方法,对系统启动电压的调节时间和数值进行分析,并选取了合理的启动电压参数,抑制了启动电流过冲现象。同时,为了应对极端情况下出现的系统过流问题,也设计了相应的系统过流保护和相角保护策略。最后,为了验证所设计启动策略的可用性及优越性,本文开发了负载为72V铅酸蓄电池组的实验室原型机,进行了启动策略实验。
  针对电动汽车无线充电系统在启动充电过程中电池等效电阻变化很快的问题,导致系统的工作点会发生偏移,不利于控制器的设计。文中设计了对应的解耦控制器来控制系统的工作频率和输入电压,保证启动策略的实施。首先,建立了基于电池荷电状态(State-of-Charge,SOC)的非线性等效电阻模型,并用Simulink仿真验证其正确性;接着,将电池SOC作为系统的状态变量,建立以工作频率和逆变器输入电压为输入量、ZVS角和电池充电电压为输出量的系统状态空间模型;然后对状态空间模型进行线性化和降阶处理,分析系统耦合性并设计前馈解耦补偿器;最后,根据系统动态性能指标,对PI控制器进行参数整定并通过实验验证了控制器的控制性能。结果显示,控制器在保证系统实现ZVS运行的同时还能实现输出电压的启动控制。
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