一种电动汽车动态无线供电系统大功率接收端电路拓扑及控制方法技术方案

本发明专利技术提出一种电动汽车动态无线供电系统大功率接收端电路拓扑及控制方法。本发明专利技术提出一种可适应动态大功率无线供电的接收端交错并联中点电容均压的三电平电路结构，以满足高电压输入和大电流输出的接收端负载需求。本发明专利技术基于上述电路拓扑提出一种变参数重复前馈+双闭环解耦合稳压恒流复合控制方法，保证输出波动与参数变化时的负载功率输出稳定，并利用锁相环采集纹波变化更新重复控制器增益系数，使控制系统具有快速稳定的速度适应能力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种电动汽车动态无线供电系统大功率接收端电路拓扑及控制方法


[0001]本专利技术应用于电动汽车、自动导引车(AGV)、轨道交通等对象的动态无线供电领域，特别是涉及一种电动汽车动态无线供电系统大功率接收端电路拓扑及控制方法。

技术介绍

[0002]动态无线供电技术来源于磁耦合谐振式无线电能传输技术，是指在道路下铺设发射装置，利用电磁变换原理，通过磁耦合机构线圈，将电能变换为高频磁场，车载接收线圈和电力电子变换装置把高频磁场再变换为电能，对行驶中的电动汽车进行供电的技术。动态无线供电系统的基本结构如图1所示，分为发射端系统(地面部分)、磁耦合机构以及接收端系统(车载部分)三大部分。
[0003]动态无线供电系统中多采用双极型供电导轨作为能量交互的磁耦合机构，其结构示意图如图2所示。双极型供电导轨由导轨磁芯和发射线圈两部分组成，其中导轨磁芯根据形状结构的不同可以分为I型结构、S型结构和N型结构，发射线圈紧密缠绕在导轨磁芯上，沿行车方向产生N、S交错的等效磁极，相邻的两个发射线圈的极性实时相反，导轨上方的磁力线方向沿着导轨铺设方向纵向延伸。
[0004]当电动汽车以动态方式运行时，DD型接收端线圈与双极型导轨之间的存在着互感波动，由于动态无线供电导轨一般为恒流输出，互感波动在接收端表现为包络波动的感应电压，如图3所示，其波动周期T
s
与车速和导轨极距有关，波动幅度与互感变化有关，整体满足：
[0005][0006]这会对系统设计带来以下限制：
[0007]一、电动汽车的功率需求大，在车辆行驶过程中，无线供电的发射端耦合到接收端的高频电压存在输出电压等级高的特点，传统的接收端调制电路如Buck、Boost等两电平电路拓扑难以适应因高电压等级带来开关器件的高电压应力，同时当电池负载为大功率电机提供能量供应时，满载条件下的输出电流要求较大，传统的单输出电路无法满足大电流输出负载需求。
[0008]二、由于电动汽车接收端线圈上的感应电压具有动态波动性，且波动范围大，波动频率低，很难采用传统LC滤波方式进行消除，同时这种规律性的电压波动对接收端功率控制电路的调制范围以及控制系统的鲁棒性提出了更高的要求。电动汽车的负载端一般为电池或电机负载，较大幅值的输入纹波电压可能影响到后级功率变换器输出充电电流的质量，在输出电流中导致同频纹波波动，对电动汽车的运行造成不良影响。

技术实现思路

[0009]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种电动汽车动态无线供电系
统大功率接收端电路拓扑及控制方法。
[0010]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种电动汽车动态无线供电系统大功率接收端电路拓扑，动态发射端将工频交流电进行AC
‑
DC
‑
AC电能变换，其中不控整流完成低频AC
‑
DC变换，经电容滤波后，利用同步移相调制下的全桥逆变电路将直流电转换为高频交流电，单组逆变器为多段导轨供电，主谐振回路上的L1、C1相互谐振，每段导轨L
p1
、L
p2
和L
p3
分别与谐振电容串联后作并联输出，经磁场耦合将电能传输到接收线圈上，完成动态无线供电；电路拓扑中的LC谐振关系表示为：
[0011][0012]在上述谐振关系的谐振限制下，逆变输出的共用LC拓扑可适应无接收端时的工况，空载时逆变输出电流自动降低，防止当接收端未靠近相应导轨时其供电电路出现过流现象，进而保证单组逆变单元同时为多组导轨进行高效可靠的供电；
[0013]接收端的DD耦合线圈将耦合到副边侧的高频交流电压输入到不控整流电路模块，经并联直流输出后作为交错并联三电平电路的直流输入电压U
m
，接收端功率调制电路采用交错并联的三电平电路，所述交错并联的三电平电路包括两种实施电路，第一种实施电路在接收端整流后的直流母线后级串联两个均压电容，中点与三电平交错并联桥臂中点相连接，利用均压电容的电压控制实现双桥臂开关管的电压均衡；第二种实施电路将第一种实施电路中的均压电容中点、三电平交错并联桥臂中点和输出滤波电容中点相连接，并增加两组输出滤波电感以更好均衡纹波。
[0014]进一步地，电路拓扑中需要采集的电路参数包括并联输出的两路电感电流I
L1
、I
L2
和总输出电流I
o
，交错并联三电平电路输入电压U
m
、中点均压电容电压U
ca
、U
cb
和负载输出电压U
o
。
[0015]本专利技术提出一种基于所述的电路拓扑结构的控制方法，所述方法具体为：当对动态无线供电系统进行控制时，首先进行系统的时钟使能初始化，并对相应的服务程序进行配置，在中断程序运行前保持PWM输出处于封锁状态，检测AD采样程序得到的采样值是否超过设定阈值，以避免功率电路的误操作导致过压或过流现象，对PWM使能输出并执行接收端DC/DC开环给定，以确保发射端控制运行时系统保持轻载状态，之后通过软启动过程和设置发射端导轨电流给定值实现发射端导轨的恒流供电控制，当系统稳定后，执行锁相环程序获取接收端整流后级的直流电压U
m
的纹波频率和幅值，采样均压电容电压和输出滤波电感电流值，并运行接收端三电平DC/DC控制程序以实现可操作的负载功率控制，进一步的，通过锁相环程序和采样参数，设置重复前馈控制程序并将其输出控制量反馈进入到接收端功率控制环路中，最终实现接收端恒定输出控制下的波动抑制。
[0016]进一步地，为了保证交错并联三电平电路中的输出电流均衡，在设计电流环控制时采用独立桥臂单独控制的结构，每组桥臂的实际输出电流给定值按照总电流值的一半进行设置，以保证输出均流。
[0017]进一步地，交错并联三电平电路的超前桥臂与滞后桥臂之间交错90
°
并联工作，因此每个桥臂上的控制环路均保持一致，两路交错并联的三电平电路采用重复控制+双闭环解耦合稳压恒流控制，其中重复控制环由高通滤波器HPF和重复控制器组成，稳压恒流双闭环由恒流控制器H
c
、稳压增益k和稳压控制器H
v
组成。
[0018]进一步地，采用单相软件锁相环实时采样获取输入电压的波动频率，进而使所设计的重复控制器具有车速自适应能力，从而保证在任意车速时都能实现对接收端输入电压波动的抑制。
[0019]进一步地，采样的接收端直流输入电压U
m
经高通滤波器HPF提取得到高频交流纹波给定量V
r
，并作为重复控制器的输入参与重复控制调节，最后重复控制输出调制信号作为前馈补偿量与恒流环的控制量相叠加，参与到双闭环稳压恒流控制中。
[0020]本专利技术的有益效果为：
[0021]1、本专利技术提出一种可适应动态大功率无线供电的接收端交错并联中点电容均压的三电平电路结构，以满足高电压输入和大电流输出的接收端负载需求。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电动汽车动态无线供电系统大功率接收端电路拓扑，其特征在于：动态发射端将工频交流电进行AC
‑
DC
‑
AC电能变换，其中不控整流完成低频AC
‑
DC变换，经电容滤波后，利用同步移相调制下的全桥逆变电路将直流电转换为高频交流电，单组逆变器为多段导轨供电，主谐振回路上的L1、C1相互谐振，每段导轨L
p1
、L
p2
和L
p3
分别与谐振电容串联后作并联输出，经磁场耦合将电能传输到接收线圈上，完成动态无线供电；电路拓扑中的LC谐振关系表示为：在上述谐振关系的谐振限制下，逆变输出的共用LC拓扑可适应无接收端时的工况，空载时逆变输出电流自动降低，防止当接收端未靠近相应导轨时其供电电路出现过流现象，进而保证单组逆变单元同时为多组导轨进行高效可靠的供电；接收端的DD耦合线圈将耦合到副边侧的高频交流电压输入到不控整流电路模块，经并联直流输出后作为交错并联三电平电路的直流输入电压U
m
，接收端功率调制电路采用交错并联的三电平电路，所述交错并联的三电平电路包括两种实施电路，第一种实施电路在接收端整流后的直流母线后级串联两个均压电容，中点与三电平交错并联桥臂中点相连接，利用均压电容的电压控制实现双桥臂开关管的电压均衡；第二种实施电路将第一种实施电路中的均压电容中点、三电平交错并联桥臂中点和输出滤波电容中点相连接，并增加两组输出滤波电感以更好均衡纹波。2.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，电路拓扑中需要采集的电路参数包括并联输出的两路电感电流I
L1
、I
L2
和总输出电流I
o
，交错并联三电平电路输入电压U
m
、中点均压电容电压U
ca
、U
cb
和负载输出电压U
o
。3.一种基于权利要求1所述的电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述方法具体为：当对动态无线供电系统进行控制时...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱春波，程连斌，魏国，冯静，张一鸣，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：