電動汽車動態無線電能恒功率充電

歐術培，張海燕，路燈杰

(1.上海電機學院電氣學院，上海 201306；2.上海中船重工船舶推進設備有限公司，上海 200000)

電動汽車目前的充電方式有接觸式和靜態無線充電，都有一系列弊端[1-2]，動態無線電能傳輸在發射線圈和接收線圈相對運動時，耦合線圈之間的失調是不可避免的，這導致互感變化，將導致輸出功率變化。不穩定的輸出功率勢必會沖擊電池，縮短電池壽命[3-4]。

為解決動態無線電能傳輸(DWPT)系統的恒功率輸出問題。文獻[5]中提出了一種在線估計方法，是基于Goertzel 算法的，該方法計算量大，因此實現起來很困難，也很耗時。文獻[6]為減小移動供電過程中的功率波動，提出一種基于雙拾取耦合結構的動態無線電能傳輸系統，該方法在副邊增加了兩個接收線圈，增加了設備成本和系統的復雜性。

本文提出了一種模型預測控制(MPC)的方法[7]，應用在動態無線電能傳輸系統中，通過對系統建立數學模型和反射電阻的計算對輸出功率進行模型預測控制。通過最小化目標函數來獲得期望輸出功率所對應的最優占空比。該方法控制器在主側，只需測量原邊主回路電流，二次側不需要任何測量或通信設備。該方法簡單易行，計算量小。

1 系統建模與模型預測控制的實現

在動態無線電能傳輸的基礎上，對動態無線電能傳輸系統(WPT)進行了分析，建立動態無線電能傳輸系統主電路模型，如圖1 所示，由直流電源、逆變器、發射線圈、接收線圈、補償電容器、整流器、蓄電池和微控制器組成。

1.1 系統數學模型

對系統進行數學建模，可以得到動態無線電能傳輸系統主電路等效圖，如圖2 所示，使用串并聯(SP)拓撲的互感耦合模型，將整流和蓄電池部分等效成一個可變電阻。

圖1 無線電能傳輸系統

圖2 無線電能傳輸系統主電路圖

1.2 系統等效電阻與線圈互感系數

利用源變換技術將圖2(a)中二次回路電壓源變換為電流源，如圖2(b)所示。二次回路的阻抗和為：

圖3 門極信號及電壓電流波形

通過測量一次側電流的幅值和相位，由電路基礎即可推算出負載電阻和互感系數，并可估計求得整個運行過程的輸出功率為：

1.3 模型預測控制實現

將式(18)離散化，根據圖3 求得下一時刻的輸出功率：

式中：D(t)為某一時刻的占空比。選取成本函數，將某一時刻的輸出功率與下一時刻的輸出功率進行比較，可得到目標函數：

將式(16)～(18)帶入式(20)，可以得到目標函數J關于占空比D的函數，求J的最小值，可以得到所對應的D(t)值，即為最優占空比Dbest，從而實現恒功率輸出。

2 實驗

2.1 仿真

本文提出了一種應用于動態無線電能傳輸系統恒功率輸出的控制方法，利用Matlab/Simulink 平臺模擬搭建了動態無線電能傳輸系統，采用MPC 模塊對系統占空比進行控制，表1 為拓撲電路主回路主要參數表。

表1 系統仿真參數

圖4～5 為Simulink 仿真所得到的結果，波形分別是充電電池充電時的電流、電壓和原邊MPC 控制輸出的雙E 逆變器MOSFET 的脈沖寬度調制(PWM)波形。如圖4 所示，當互感系數M較大時，電壓為40.78 V，電流為7.415 A，輸出功率為302.38 W，占空比約為30%。

圖4 互感系數M較大時的電壓、電流

如圖5 所示，當互感系數M較小時，電壓為40.91 V，電流為7.443 9 A，輸出功率為304.329 W，占空比約為45%。

圖5 互感系數M 較小時的電壓、電流

由兩次仿真可知，隨著初級發射線圈和次級接受線圈之間互感系數的變化，MPC 模塊可以通過調整雙E 逆變器MOSFET 的PWM 波的占空比，來調整系統的輸出，將輸出功率穩定在一個范圍內，達到恒功率輸出的效果。

2.2 實驗平臺搭建

為驗證仿真結果，搭建動態無線電能傳輸系統實驗平臺，如圖6 所示，將實物縮小，用玩具車模擬電動汽車。充電電池代替新能原汽車電池，木板模擬道路，系統電源由直流15.5 V 供電，系統頻率設為1.1 MHz。

圖6 系統實驗平臺

圖7 為示波器輸出電壓、電流和PWM 波。小車在線圈中心時，通過測得小車電池端的電流電壓，功率約為1.3 W，逆變器的占空比約為30%。

圖7 占空比為30%時的電壓、電流波形圖

如圖8 所示，當小車移動到線圈邊沿時，通過測得小車電池端的電流電壓，功率約為1.2 W，逆變器的占空比約為44%。

圖8 占空比為44%時的電壓、電流波形圖

根據實驗平臺測得的波形可知，基于模型預測控制的動態無線電能傳輸系統，能夠得到控制原邊逆變占空比，從而達到恒功率輸出的目標。

3 結論

本文提出了基于模型預測控制動態無線電能傳輸恒功率輸出控制策略。將模型預測控制運用到動態無線電能傳輸系統上，運用模型預測控制的思想算法，估算了二次側的等效電阻和線圈的互感系數，通過仿真及波形可以得到在變互感系數的情況下，MPC 模塊只需要采集測量一次側電流，即可改變占空比，從而得到控制系統恒功率輸出的效果。這種算法可以將二次側從閉環中隔離，不需要在二次側增加任何測量設備反饋到一次側進行閉環控制，考慮到了電動汽車在道路上行駛時能夠進行恒功率充電的實際情況，可以解決實際問題。