一种用于实现动态无线恒定功率充电的系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，涉及用于实现动态无线恒定功率充电的系统 及其控制方法，适用于电动汽车的动态无线充电应用场合。
【背景技术】
[0002] 近年来，无线电能传输技术（Wireless Power Transmission，WPT)取得了飞速 发展，特别是磁耦合方式的无线输电技术。此方式通过功率收发线圈之间的高频交变磁场 耦合传递能量。磁耦合无线输电技术已经在小功率的便携式电子设备，例如手机，心脏起 搏器等，得到了成功应用。磁耦合无线输电技术的另一个重要应用场合就是给电动汽车 (Electric Vehicle，EV)无线充电。随着传输功率和效率的进一步提高，静态无线充电有 可能在不远的未来取代传统的传导式充电方式。电动汽车在推向市场的过程中遇到动力电 池瓶颈带来的一次充电行驶里程不足和充电难的问题。
[0003] 为了进一步解决电动汽车动力电池瓶颈，动态无线充电方案被重新提出。早在 1970s年代，美国加州大学伯克利分校就做过Roadway Inductively powered EV验证性项 目，但是由于电力电子技术的限制没有成功。动态无线充电方案如图2所示：设想在行车道 路下铺设发射线圈链，在汽车底盘装有接收线圈及其接收电路，车载接收线圈依次与路面 下的发射线圈作用，通过高频磁场耦合给行驶中的电动汽车不间断充电，减少对动力电池 的依赖，从而有效延长行驶里程。
[0004] 动态无线充电应用场合要求WPT系统具有较宽的有效偏移范围，即保证原副边功 率线圈的互感耦合系数在一定范围内变化时，传输功率不能随偏移距离变化而大幅度波 动，而是要保持稳定传输状态。由于动态无线充电的局域供电特性，同一时刻只有一个发射 线圈与车载接收线圈相互耦合作用，其作用时间短暂。因此在此种场合下，其充电要求应与 静态无线充电不同。静态无线充电需要实现从恒流到恒压的完整充电过程。而动态无线充 电时，车载负荷正在工作，为了保证供给负荷和留有一定储能余量并且实现经济效益最大 化，动态无线充电系统应时刻以额定传输功率工作。原、副边电路应独立控制，副边完成对 接收功率的调控，而原边电源只要求能够快速启停并有过流过压保护，从而简化系统控制 策略。因此在动态无线充电场合需要系统具有抗偏移以及恒定功率动态跟踪的能力。
[0005] 然而目前的无线充电系统主要集中在静态无线充电应用上，系统只能在静态和 原、副边通信的情况下实现功率稳定传输。当在动态无线充电场合中功率接收线圈相对于 发射线圈快速移动，有可能出现较大偏移，收发线圈的耦合程度在快速变化。
[0006] 现有无线充电系统由于其针对收发线圈相对静止情形设计，因此并不具备对动态 偏移的快速响应能力，当收发线圈耦合程度快速变化时，则无论是控制方式还是系统本身 都无法及时修正工作点，导致其工作状态会偏离原来设定点，从而失去自动调节传输功率 的能力。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于实现动态无线恒定功率充 电的系统，旨在解决现有技术中由于对动态偏移的快速响应能力不足导致动态无线充电中 传输功率波动的问题。
[0008] 本发明提供了一种用于实现动态无线恒定功率充电的系统，包括依次连接的能量 发射模块、能量接收模块和恒定功率跟踪控制模块；所述能量发射模块用于将原边直流电 源转换为高频交流电能并通过高频磁场耦合的方式发射；所述能量接收模块用于接收所述 电能并供给负载；所述恒定功率跟踪控制模块用于根据实时采集的充电电流获得参考控制 信号V raf，并将整流端口电压Vd2调整为所述参考控制信号V "f，实时跟踪到功率极值点对应 的传输电压增益点上，实现恒定功率跟踪控制。
[0009] 更进一步地，能量发射模块包括依次连接的高频逆变单元、LC滤波单元、原边补偿 单元和功率发射线圈；高频逆变单元用于对外部输入的直电压V dl逆变为定频f。电压方波 Vab，所述LC滤波单元用于滤除所述高频电压方波Vab中的谐波成分，功率发射线圈用于将经 过滤波后的高频电压方波按照高频磁场耦合的方式发射电能；原边补偿单元用于对所述功 率发射线圈的电流进行调节，减小传输功率随偏移距离的波动。
[0010] 更进一步地，原边补偿单元包括第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容；所 述第一补偿电容和第三补偿电容串联连接，所述第一补偿电容的非串联端与所述LC滤波 单元的输出端连接，所述第三补偿电容的非串联端用于连接至所述功率发射线圈的一端； 所述第二补偿电容的一端与所述第一补偿电容和第三补偿电容的串联连接端连接，所述第 二补偿电容的另一端用于连接至所述功率发射线圈的另一端。
[0011] 更进一步地，所述第一补偿电容、第二补偿电容和第三补偿电容的容值分别为Caill =1/[|ZM1| X (2JTf。)];电抗值分别为：
其中，i为补偿电容的序 号，i = 1、2、3 ;f。为系统工作频率；γ i为第一补偿系数、κ为第二补偿系数，β为补偿比 例系数，Zu为功率发射线圈的电抗，Zaill为第一补偿电容的电抗值，Zail2为第二补偿电容的 电抗值，Z ail3为第三补偿电容的电抗值。
[0012] 更进一步地，能量接收模块包括依次连接的功率接收线圈、副边补偿单元，不控整 流单元和DC/DC变换器；功率接收线圈用于接收所述功率发射线圈发射的电能；副边补偿 单元用于补偿功率接收线圈的漏感，使得功率发射线圈与功率接收线圈之间只传递有功功 率；所述不控整流单元用于将接收的高频交流电整流为直流并输出；DC/DC变换器对所述 不控整流单元的输出进行功率调节后供给负载。
[0013] 更进一步地，所述副边补偿单元的自由谐振频率原边逆变频率f。相同；其 中，
C2为所述副边补偿单元中谐振电容的容值；L 2为所述功率接收线圈 的电感值。
[0014] 更进一步地，所述恒定功率跟踪控制模块包括电流采样电路、恒定功率跟踪控制 器，直流电压采样电路，PI调压控制器和开关管驱动电路；所述电流采样电路用于采集副 边输出的充电电流当前值i batt(k);所述恒定功率跟踪控制器用于对副边充电电流的采样 值进行处理并输出整流电压的参考控制信号V"f，直流电压采样电路用于采集所述DC/DC 变换器（9)的输入端直流电压Vd2;所述PI调压控制器用于根据所述参考控制信号Vraf和 所述采样值V d2(k)获得两者之间的偏差，并根据所述偏差调控所述DC/DC变换器（9)的占 空比控制信号，并将整流端口电压V d2调节为参考控制信号V raf，实时跟踪到功率极值点对 应的传输电压增益点上，实现恒定功率跟踪控制；开关管驱动电路用于根据所述占空比控 制信号控制所述DC/DC变换器（9)中开关管的通断。
[0015] 本发明还提供了一种用于实现动态无线恒定功率充电的系统的控制方法，包括下 述步骤：
[0016] Sl :在每个控制周期Ts的起始时刻，对DC/DC变换器输出的充电电流i batt的幅值 进行采样，获取充电电流ibatt的当前值i batt(k)，并保存上个控制周期的充电电流的采样值 ibatt(k-i);并对整流电压Vd2进行采样，获取当前整流电压采样量Vd2GO ;
[0017] S2 :判断整流电压采样量Vd2GO是否在（V_，V_)内，若是，则转入步骤S3 ;若否， 则使得整流电压Vd2的扰动步长反向，即Δ V k+1 = - Δ V k，并进入到步骤S6 ;
[0018] 其中，V_为整流电压的设定下限值，V_为整流电压的上限值，AVk为当前控制周 期的整流电压的扰动步长，一般其初始值设置为（V_+V_)/10, AVk+1为下一个控制周期的 整流电压的扰动步长；
[0019] 作为本发明的一个实施例，可以根据理论计算或实验检测获得整流电压Vd2的可 调节范围，例如开环调节DC/DC变换器占空比，改变整流电压V d2，当Vd2减小到一定值时传 输功率明显下降则此值设定为V_，当Vd2增加到一定值时传输功率明显下降则此值设定为 Vmax 〇
[0020] S3 :判断当前控制周期的充电电流的采样值ibatt(k)是否大于上个控制周期的充 电电流的采样值i batt(k_l)，若是，则使得整流电压的扰动步长AVk保持不变，即AVk+1 = A Vk，并进入步骤S6 ;若否，则转入步骤S4 ;
[0021] S4 :判断I ibatt(k)-ibatt(k_l) |> Λ Iset，若是，则将整流电压的扰动步长变为Λ Vk+1 =-sig