Model-based Analysis and Control for Wireless Charger in EVs-PHEVs Application.pdf

1、本博士論文旨在設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化電動(dòng)汽車(EVs)和插電式混合動(dòng)力汽車(PHEVs)無(wú)線充電系統(tǒng)及其控制方法。與傳統(tǒng)的接插式傳導(dǎo)充電方式相比，無(wú)線充電更為便捷、安全、可靠，且具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。同時(shí)，無(wú)線充電技術(shù)也為增加電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程提供了一種有效的解決方案。感應(yīng)電能傳輸技術(shù)(IPT)是電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車無(wú)線充電的主要技術(shù)，它基于法拉第電磁感應(yīng)理論，主要部分是一個(gè)一次側(cè)和二次側(cè)分開的松耦合變壓器。IPT的工作原理為:當(dāng)在一

2、次側(cè)線圈中注入高頻交流電時(shí)，周圍空間中會(huì)產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，若二次側(cè)電路形成閉合回路，處在時(shí)變磁場(chǎng)中的二次側(cè)線圈就會(huì)感應(yīng)生成交流電。通過(guò)該方式，電能就會(huì)“無(wú)線”地傳輸?shù)蕉蝹?cè)，從而給電池充電。目前，無(wú)線充電技術(shù)運(yùn)用于電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的主要制約因素在于該技術(shù)相對(duì)較低的效率以及對(duì)頻率和參數(shù)變化的敏感。因此，全面的特性分析是設(shè)計(jì)一個(gè)高效強(qiáng)健的無(wú)線充電系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文主要工作如下:提出三種建模方法;基于模型研究無(wú)線充電系統(tǒng)特性

3、;為提高傳輸效率而尋找實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)的參數(shù)調(diào)整方法;提出無(wú)線充電板設(shè)計(jì)方法;探究補(bǔ)償結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響;提出合適的帶魯棒控制的無(wú)線充電策略。
　　首先，本文提出了傳統(tǒng)等效電路模型(CECM)，電壓依賴等效電路模型(VDECM)和電壓依賴動(dòng)態(tài)狀態(tài)空間模型(VDDSSM)，用以分析電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的特性;提出了雙邊LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)和磁集成LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng);基于電壓依賴等效電路模型，分析、比

4、較了串串(SS)補(bǔ)償和雙邊LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)的特性;研究了不同廠家生產(chǎn)的無(wú)線充電器之間互操作的可行性;基于電壓依賴動(dòng)態(tài)狀態(tài)空間模型，研究了磁集成LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)的特性。
　　研究表明，雙邊LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的諧振頻率與耦合和負(fù)載無(wú)關(guān)。當(dāng)工作在諧振頻率下時(shí)，其輸出電流為恒流，與負(fù)載電池的電壓無(wú)關(guān)。一次側(cè)主線圈上的電流也為恒流，只與輸入電壓相關(guān)，這個(gè)特點(diǎn)有利于同時(shí)對(duì)多個(gè)二次側(cè)供電。相比于SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，雙邊LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)明顯。

5、雙邊LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對(duì)由于一次側(cè)和二次側(cè)線圈相對(duì)位置的變化而引起的自感變化不敏感。為研究不同補(bǔ)償結(jié)構(gòu)之間的互操作性，本文基于基波近似方法，推導(dǎo)出了一次側(cè)或二次側(cè)線圈的臨界自感值，這一臨界值反應(yīng)了兩個(gè)充電器互操作時(shí)的功率傳輸能力和控制性能。與非集成結(jié)構(gòu)相比，磁集成LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)可以以更小的補(bǔ)償電感傳輸相同的功率?；陔妷阂蕾噭?dòng)態(tài)狀態(tài)空間模型，發(fā)現(xiàn)并研究了磁集成LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)的四種工作模式。
　　為實(shí)現(xiàn)ZVS，本文提出了

6、一種基于模型的參數(shù)調(diào)整方法。為了獲得精確的參數(shù)調(diào)整方法，在調(diào)整雙邊LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)二次側(cè)串聯(lián)電容時(shí)，同時(shí)考慮了高次諧波。另外，本文考慮到不同的耦合和電壓增益，提出了一種基于電壓依賴動(dòng)態(tài)狀態(tài)空間模型的數(shù)值方法來(lái)調(diào)整磁集成LCC補(bǔ)償無(wú)線充電系統(tǒng)二次側(cè)串聯(lián)電容，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作范圍的ZVS。鑒于這種情況，調(diào)整后的無(wú)線充電可以稱之為準(zhǔn)諧振式無(wú)線充電。
　　然后，基于電磁場(chǎng)理論，本文提出了無(wú)線充電板設(shè)計(jì)方法。此設(shè)計(jì)方法重點(diǎn)考慮了電磁損

7、耗因素。從仿真和測(cè)量結(jié)果可以看出，對(duì)于磁集成無(wú)線充電系統(tǒng)，非期望的交叉耦合是不可避免的。為此，本文提出了考慮交叉耦合因素的磁集成無(wú)線充電系統(tǒng)電壓依賴等效電路模型，并且逐步推導(dǎo)出反應(yīng)交叉耦合影響的公式。此外，基于此模型，本文研究了主線圈自感變化所引起的失諧影響。
　　針對(duì)參數(shù)變化和參數(shù)的統(tǒng)計(jì)不確定性，本文提出了基于μ綜合魯棒控制的EVs/PHEVs無(wú)線充電策略。利用Monte-Carlo方法，研究了參數(shù)的統(tǒng)計(jì)不確定性對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的

8、影響。據(jù)此，提出了一種不確定無(wú)線充電系統(tǒng)的改進(jìn)廣義狀態(tài)空間平均模型。同時(shí)，基于改進(jìn)廣義狀態(tài)空間平均模型，提出了基于μ綜合魯棒控制的EVs/PHEVs無(wú)線充電控制策略。
　　最后，仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了所提出的建模方法和基于模型的特性分析結(jié)論。雙邊LCC補(bǔ)償和磁集成LCC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)線充電系統(tǒng)被證明是有效的電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車無(wú)線充電系統(tǒng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，電壓依賴等效電路模型能夠有效的應(yīng)用于無(wú)線充電系統(tǒng)的基本特性分析。其中，電