[发明专利]一种电动汽车无线充电副边输出控制系统及其控制方法

权利要求书

1.一种电动汽车无线充电副边输出控制系统，其特征在于，包括通过导线连接的无线充电拓扑电路单元和控制电路单元；

所述无线充电拓扑电路单元包括埋在地下的非接触变压器原边和装载电动汽车车体上的变压器副边，所述变压器原边通过磁耦合向变压器副边传递能量；

所述控制电路单元包括电流变化量计算模块(19)和电压变化量计算模块(16)；所述电压变化量计算模块(16)的输出端依次连接电压控制函数模块(17)和电压电流转换模块(18)；所述电流变化量计算模块(19)的输出端依次连接电流控制函数模块(20)、比较判断模块(22)和PWM脉冲发生器(23)；

所述PWM脉冲发生器(23)通过电流增益函数模块(21)调控电流变化量计算模块(19)；所述PWM脉冲发生器(23)通过电压增益函数模块(24)调控电压变化量计算模块(16)；

所述变压器副边的电路结构为：包括松耦合变压器副边电感L_S(6)，松耦合变压器副边电感L_S(6)通过导线依次连接副边补偿电容(7)、副边整流模块(8)、电容(9)和Buck-Boost变换器(15)；所述松耦合变压器原边电感L_P(5)通过磁耦合与松耦合变压器副边电感L_S(6)连接；

所述副边补偿电容(7)包括通过导线依次连接的副边补偿电容C₂和C₃；所述副边整流模块(8)由四个二极管组成，具体的二极管D₅、二极管D₈组成正半周回路，二极管D₆、二极管D₇组成负半周回路；

所述Buck-Boost变换器(15)的具体电路结构为：包括Buck-Boost开关管(10)，Buck-Boost开关管(10)通过导线依次连接相互并联的电感L₁(11)和二极管a(12)以及稳压电容C₄(13)；所述Buck-Boost变换器(15)输入端通过Buck-Boost开关管(10)接通副边整流模块(8)，Buck-Boost变换器(15)输出端与等效输出阻抗R_L(14)连接；所述Buck-Boost开关管(10)连接PWM脉冲发生器(23)；

电动汽车无线充电副边输出控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，利用松耦合变压器的补偿拓扑实现在谐振频率点处对电动汽车无线充电副边Buck-Boost变换器(15)恒压输入，根据电路参数的变化调节Buck-Boost变换器(15)的占空比，从而调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率；具体为：

步骤1.1，根据电动汽车无线充电副边输出控制系统，得到Buck-Boost变换器(15)的输入电流和输入电压，即相当于松耦合变压器输出电流I_in和输出电压U_in，如公式(1)和(2)：

公式(1)和(2)中，参数ω为谐振频率，参数k为松耦合变压器耦合系数，参数L_P为松耦合变压器原边电感，参数L_S为松耦合变压器副边电感，参数U_AB为补偿拓扑输入电压，参数R_e为松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗，

参数A＝(R_e(R_p+R_pR_s-R_e²(R_pR_s))，

参数

其中，参数R_p为原边线圈等效内阻，参数R_s为副边线圈等效内阻；参数C₃为副边补偿电容C₃；

步骤1.2，根据步骤1.1得到松耦合变压器参数I_in和U_in，计算得到松耦合变压器的输出功率P_out与传输效率η_out，分别为公式(3)和(4)：

公式(3)和(4)中，

参数C＝[R_p(R_s+E)-(ωL_p-1/ωC₁)(ωL_S-EωC₂R_e)+ω²k²L_PL_S]，

参数F＝[R_p(ωL_S-1/ωC₂-EωC₂R_e)+(ωL_p-1/ωC₁)(R_s+E)]，

参数E＝R_e/(1+ω²C₃²R_e²)；

其中，参数C₁为松耦合变压器原边补偿电容C₁，参数C₂为副边补偿电容C₂；

步骤1.3，由步骤1.2得到，Buck-Boost变换器(15)的等效输出阻抗R_L与松耦合变压器补偿拓扑的等效输出阻抗R_e的关系表达式为公式(5)：

其中，参数R_in为Buck-Boost变换器的等效输入阻抗；

步骤1.4，将步骤1.3中的等效输出阻抗R_L替换为R_e分别带入公式(1)、(2)、(3)和(4)中，即可得到通过调节Buck-Boost变换器(15)占空比、实现调节松耦合变压器的输出电流、输出电压、输出功率与传输效率；

步骤2，根据电动汽车充电电流与充电电压的要求，利用松耦合变压器输出电流和输出电压，Buck-Boost变换器(15)的输入电压U_in、电感电流I_L计算出电流控制函数模块(20)和电压控制函数模块(17)中滑模观测器的控制函数；

步骤3，当控制系统处于稳定传输时，由步骤1可知，在恒流充电阶段，等效输出阻抗R_L发生变化时，buck-boost变换器(15)的输出电流I_o与输出电流U_o也会发生变化，对应的电感电流I_L与电容电压U_o也会发生改变，此时步骤2中滑模观测器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值，调节输出电流恒定；在恒压充电阶段，与恒流阶段相同，电压滑模控制器的控制函数会根据变化的参数与给定电压输出电压控制对应的函数值，调节输出电压恒定；

当松耦合变压器传输不稳定时，即松耦合变压器原、副边线圈相对位置变化时，耦合系数k值改变，Buck-Boost变换器(15)的输入电压电流相应发生变化，在恒流充电阶段，当控制系统的耦合系数变化时，步骤2中的电流滑模控制器的控制函数根据变化的参数与给定电流输出电流控制对应的函数值，输出的控制函数值与比较判断模块(22)确定Buck-Boost变换器的占空比，随后根据步骤1调节输出电流恒定；在恒压充电阶段，输出的控制函数值与比较判断模块(22)确定Buck-Boost变换器(15)的占空比，随后根据步骤1调节输出电压恒定。