研究背景
目前，随着汽车工业正在向电动化、绿色化、网联化、智能化、共享化的趋势发展，我国的新能源汽车产业正在迎来快速的发展期。如今限制电动汽车发展的主要问题之一就是充电时间和续航里程这一对矛盾，充电所需的时间较长而所获得的行驶里程却较短。
电动汽车的三种常见充电方式是传导充电、无线充电以及电池换电技术。由于传导充电的结构简单、效率高等优点，所以传导充电是现在电动汽车充放电的主流方案，但是随着自动驾驶技术的发展，传导式充电会随着电动汽车的自动化和智能化被逐渐淘汰。电池换电是将空电池切换出来，用一个充满电的电池代替。为了减轻动力电池的容量和体积，缓解车主的里程焦虑，动态无线电能传输技术在电动汽车中的应用逐渐成为了研究热点。
在动态无线电能传输中，用电设备可以边工作边充电，充电板安装在用电设备路过的平面上，可以随时充电，增加了设备的工作时间，从而克服了续航焦虑问题。通过动态充电，用电设备的电池容量可相应减少，从而减轻设备重量，降低成本。
论文所解决的问题及意义
在中小功率的无线电能传输系统中，为了节省体积和成本，系统通常采用变频控制、移相控制或者外加DC/DC电路来实现稳定输出的作用的。但是在中大功率场合，采用上述控制方法往往无法实现软开关，并且系统中的无功能量较大，硬开关和无功环流会导致系统中的器件损耗逐渐增大，效率降低。对系统输出精度和动态响应要求越来越高，简单的控制策略已经不适用电动汽车无线充电系统。为了能够准确实现输出控制和频率调节，所以本文提出了无线电能传输零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵复合控制策略。
论文方法及创新点
本文的创新点主要是结合了移相变频控制方法和电容矩阵调谐的控制方法，并跳脱了传统锁相环频率跟踪方法的系统结构，使得控制输出和频率跟踪的目标都得以实现。本文提出的零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵相结合的无线电能传输系统频率跟踪策略。采用电流传感器来获取谐振电流的相位,并利用处理器产生的参考信号来测量谐振电流的相位。处理器会根据频率偏移程度来计算补偿电容的大小，粗略调节自然谐振频率，将系统自然谐振频率调节至85kHz附近。然后逆变器输出电压会自动跟踪谐振电流相位，实现对谐振频率精确跟踪。图1为复合控制策略系统框图。
图1 复合控制框图
图2为复合控制策略图，控制策略由三个闭环组成。首先，对一次侧谐振电流回路进行闭环控制，将一次侧谐振电流的幅值限制在安全的工作区域内。其次二次侧输出的充电电压/电流闭环，在实际应用中，一次侧的处理器会接收电池能量管理系统的指令，二次侧电流参考值会随电池能量管理系统指令变化而变化。最后是零电压开关角闭环，目的是保证软开关的实现。
图2 复合控制策略
结论
为了在频率跟踪的同时实现对输出电压/电流的调节，本文提出了一种动态无线电能传输系统复合控制策略。本方法通过对相位检测电路输出的直流信号进行采样，轻松的获取高频电流的相位，大大降低了对数字处理器资源的占用。该控制策略和系统结构结合了模拟电路和数字控制的优点，不仅对系统参数变化拥有较高动态响应，而且极大的节省了处理器资源。在精确的零电压开关角控制下，整个系统几乎可以在大负载范围内实现零电压开通。
团队介绍
河北科技大学科研团队研发方向定位于特种电机设计与控制技术以及无线电能传输技术，研究范围涵盖机器人运动控制、大功率永磁同步电机、开关磁阻电机、垂直轴风机、新能源汽车轮毂电机的优化设计与智能控制，以及无线充电设备、全向运动控制系统等多个研究方向。团队在相关研究方向获得了国家自然科学基金项目4项、省级项目10余项，论文发表超过300篇。此外，团队还取得了省级科技进步奖、发明专利授权等多项荣誉，并参与编写了多部教材。
李争，团队负责人，博士生导师，河北省首届“青年拔尖人才”，河北省“三三三人才工程”第二层次人选，石家庄市“青年拔尖人才”，河北省“五一劳动奖章”获得者，中国机械工业教育协会电气工程及其自动化学科教学委员会委员，中国电工技术学会理事会青年工作委员会委员，中国电机工程学会电机专委会委员，中国电工技术学会小功率电机专委会委员，中国电工技术学会电控装置专委会委员，中国自动化学会电气自动化专委会委员。主持国家自然科学基金项目3项，主持河北省自然科学基金项目4项，主持其它省级项目4项。主要研究方向为特种电机设计及其控制技术，新型电力传动装置，新能源发电技术等。
本工作成果发表在2024年第12期《电工技术学报》，论文标题为“无线电能传输零电压开关角跟踪和动态电容补偿矩阵复合控制策略“。本课题得到国家自然科学基金和河北省自然科学基金的支持。
