摘要：与插入式充电系统相比，无线功率传输（Wireless Power Transfer，WPT）更简单、可靠、用户友好。基于谐振电感耦合的WPT技术有望取代插入式充电系统。然而由于连接负载的不稳定性，系统输出电流、功率和效率都会发生变化。为了解决这个问题，在WPT系统的二次侧设计了Buck变换器，通过改变占空比来调节其内阻。为了控制Buck变换器的占空比，提出了一种离散快速终端滑模控制器，以最优的效率调节系统输出电流和功率。
关键词：无线功率传输；非线性；快速终端滑模控制；功率变换器
1 前言
随着无线功率传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术的发展，当前研究逐渐尝试将其应用在电动汽车充电中，以在一定程度上提升自由度。WPT系统的主要目标是将能量从发射机转移到储能装置（如电池、超级电容器等）充电。为了简化WPT系统的设计，将储能装置视为可变负载。此外，基于补偿拓扑，WPT系统的效率随负载而变化，即系统可以在特定电阻值下获得最大效率[1]。其目的是保持系统效率高，而不受负载变化的影响。解决这一问题的一种常用方法是在整流电路后实现DC-DC变换器，通过改变开关占空比来调节输入电阻。根据上述方法，研究人员已经实现了不同的DC-DC转换器，如Buck和Boost转换器[1，2]
关键词：无线功率传输；非线性；快速终端滑模控制；功率变换器
1 前言
随着无线功率传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术的发展，当前研究逐渐尝试将其应用在电动汽车充电中，以在一定程度上提升自由度。WPT系统的主要目标是将能量从发射机转移到储能装置（如电池、超级电容器等）充电。为了简化WPT系统的设计，将储能装置视为可变负载。此外，基于补偿拓扑，WPT系统的效率随负载而变化，即系统可以在特定电阻值下获得最大效率[1]。其目的是保持系统效率高，而不受负载变化的影响。解决这一问题的一种常用方法是在整流电路后实现DC-DC变换器，通过改变开关占空比来调节输入电阻。根据上述方法，研究人员已经实现了不同的DC-DC转换器，如Buck和Boost转换器[1，2]
。通过控制占空比，输入Buck和Boost变换器的电阻可以在一定范围内动态变化[3]。然而，由于PID控制的线性特性，其调节范围仅限于小范围。为了克服PID控制的缺点，文献[4]中提出了一种二次侧DC-DC变换器的滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）。由于滑模变结构控制的非线性特性，与PID控制相比，滑模变结构控制不仅局限于小范围内，而且在负载变化时仍表现出超调现象，在平衡点处存在抖振现象。
因此，本文提出了基于LCC-S补偿网络的二次侧Buck变换器WPT系统。为了控制Buck变换器的占空比，针对其缺点，提出了离散快速终端滑模控制器（Discrete Fast Terminal Sliding Mode Controller，DFTSCM）。超级电容器（Ultra-Capacitor，UC）作为系统负载连接，其电阻在充电过程中会发生变化。本文的目的是控制Buck变换器的占空比，使其在充电过程中保持最大的系统效率。根据UC的充电要求，采用有效的控制策略，保证UC充电的最大效率。采用LCC-S补偿拓扑，保证buck变换器在占空比变化时输入端输出电压恒定。根据系统要求，DFTSCC控制器在连接负载的变化下调节输出电流或输出功率。
2 Buck变换器离散快速终端滑模控制器设计
在超级电容器充电过程中，其电压Uuc和电流Iuc实时变化，因此RL不断变化，可得
因此，本文提出了基于LCC-S补偿网络的二次侧Buck变换器WPT系统。为了控制Buck变换器的占空比，针对其缺点，提出了离散快速终端滑模控制器（Discrete Fast Terminal Sliding Mode Controller，DFTSCM）。超级电容器（Ultra-Capacitor，UC）作为系统负载连接，其电阻在充电过程中会发生变化。本文的目的是控制Buck变换器的占空比，使其在充电过程中保持最大的系统效率。根据UC的充电要求，采用有效的控制策略，保证UC充电的最大效率。采用LCC-S补偿拓扑，保证buck变换器在占空比变化时输入端输出电压恒定。根据系统要求，DFTSCC控制器在连接负载的变化下调节输出电流或输出功率。
2 Buck变换器离散快速终端滑模控制器设计
在超级电容器充电过程中，其电压Uuc和电流Iuc实时变化，因此RL不断变化，可得
到如下公式：，
（1）
奇瑞a3两厢黑 如果系统输出功率等于最佳功率，即Pout=Pop，则超级电容器可以以最大效率充电。但是，如果Uuc最初的电压太低，充电功率太大，就会产生大量的电流，从而损坏系统。为了解决这个问题，将超级电容器的充电分为两个阶段。充电策略如图1所示。在第一阶段，向超级电容器提供恒流Iref，直到其电压Uuc达到Uuc，然后在第二阶段，为其充电以获得最大效率的最佳功率Pop。
图1 超级电容的充电策略之诺
图2 本文所提出的WPT系统电路图
为了将输出电流Iout和输出功率Pout分别调节到期望的Iref和Pop，在系统的二次侧使用Buck变换器。可以通过控制开关S5的占空比来跟踪所需的参考。Buck转换器的电路图如图2所示。在Buck变换器工作在连续导通模式的假设下，推导如下的动态模型。
（2）
（1）
奇瑞a3两厢黑 如果系统输出功率等于最佳功率，即Pout=Pop，则超级电容器可以以最大效率充电。但是，如果Uuc最初的电压太低，充电功率太大，就会产生大量的电流，从而损坏系统。为了解决这个问题，将超级电容器的充电分为两个阶段。充电策略如图1所示。在第一阶段，向超级电容器提供恒流Iref，直到其电压Uuc达到Uuc，然后在第二阶段，为其充电以获得最大效率的最佳功率Pop。
图1 超级电容的充电策略之诺
图2 本文所提出的WPT系统电路图
为了将输出电流Iout和输出功率Pout分别调节到期望的Iref和Pop，在系统的二次侧使用Buck变换器。可以通过控制开关S5的占空比来跟踪所需的参考。Buck转换器的电路图如图2所示。在Buck变换器工作在连续导通模式的假设下，推导如下的动态模型。
（2）
（3）
其中，IL和Uout是电感电流和电容电压的值。u=[0，1]是占空比，用于生成开关的行驶循环。对于控制设计，我们将在一个切换周期内对模型进行平均。如果x1是IL的平均值，x2是Uout的平均值，μ是u的平均值，则式（2）和式（3）为形式，
（4）
（5）
通过控制Buck变换器的输出电压，该结构的输出电流输出和输出功率输出可以分别跟踪到期望的参考值，即Iref和Pref。东风日产尼桑骊威
（6）
（7）
奥迪a7报价及图片>本田crv2010款 设计了一种离散快速终端滑模控制器，以产生这些参考电压所需的占空比。为此，定义了误差信号。
（8）
式中（j=1，2）。当j=1时，控制器跟踪恒流，当j=2时，控制器跟踪恒功率。通过将e1收敛到零，我们可以得到期望的结果。方程（4）和（5）中的动力学模型可以重写为壳牌润滑油价格表
其中，IL和Uout是电感电流和电容电压的值。u=[0，1]是占空比，用于生成开关的行驶循环。对于控制设计，我们将在一个切换周期内对模型进行平均。如果x1是IL的平均值，x2是Uout的平均值，μ是u的平均值，则式（2）和式（3）为形式，
（4）
（5）
通过控制Buck变换器的输出电压，该结构的输出电流输出和输出功率输出可以分别跟踪到期望的参考值，即Iref和Pref。东风日产尼桑骊威
（6）
（7）
奥迪a7报价及图片>本田crv2010款 设计了一种离散快速终端滑模控制器，以产生这些参考电压所需的占空比。为此，定义了误差信号。
（8）
式中（j=1，2）。当j=1时，控制器跟踪恒流，当j=2时，控制器跟踪恒功率。通过将e1收敛到零，我们可以得到期望的结果。方程（4）和（5）中的动力学模型可以重写为壳牌润滑油价格表
（9）
为了简化表达式，引入参数e2，
（10）
取e2的导数，并使用方程（9），（4）和（5），得出：
（11）
因此，动态模型可表示为
（12）
利用欧拉离散化方法，方程（12）中的动力学模型可以离散如下：，
（13）
其中h是采样周期。为了将这些误差信号收敛到零，可以设计如下快速终端滑动面，
（14）
其中0<α1h<1，0<α2h<1，0<q/p<1，p和q为正奇数整数。当s（k+1）=0时出现滑动模态条件，并且等式（14）变为，
（15）
将式（13）代入式（15），得到，
为了简化表达式，引入参数e2，
（10）
取e2的导数，并使用方程（9），（4）和（5），得出：
（11）
因此，动态模型可表示为
（12）
利用欧拉离散化方法，方程（12）中的动力学模型可以离散如下：，
（13）
其中h是采样周期。为了将这些误差信号收敛到零，可以设计如下快速终端滑动面，
（14）
其中0<α1h<1，0<α2h<1，0<q/p<1，p和q为正奇数整数。当s（k+1）=0时出现滑动模态条件，并且等式（14）变为，
（15）
将式（13）代入式（15），得到，
（16）
最后通过解方程（16），得到DFTSCM定律为：，
（17）
3 结论
本文提出了一种二次侧结合Buck变换器的LCC-S拓扑结构。Buck变换器由DFTSCM控制，以调节系统的输出电流和功率。利用二端口网络理论对系统进行了分析，得到了系统的最优效率方程。在此基础上，本文提出的系统在有最优负荷或产生最优功率的情况下，以最大效率运行。利用DFTSCM方法生成Buck变换器的占空比，跟踪所需的最佳功率点。本研究的未来目标是建立反相器、整流器和降压转换器的损耗模型，以分析对系统效率的影响。
参考文献：
[1]Li，H.；Li，J.；Wang，K.；Chen，W.；Yang，X. A maximum efficiency point tracking control scheme for wireless power transfer systems using magnetic resonant coupling. IEEE Trans. Power Electron. 2014，30，3998–4008.
[2]Li，B.；Geng，Y.；Lin，F.；Yang，Z.；Igarashi，S. Design of constant voltage
最后通过解方程（16），得到DFTSCM定律为：，
（17）
3 结论
本文提出了一种二次侧结合Buck变换器的LCC-S拓扑结构。Buck变换器由DFTSCM控制，以调节系统的输出电流和功率。利用二端口网络理论对系统进行了分析，得到了系统的最优效率方程。在此基础上，本文提出的系统在有最优负荷或产生最优功率的情况下，以最大效率运行。利用DFTSCM方法生成Buck变换器的占空比，跟踪所需的最佳功率点。本研究的未来目标是建立反相器、整流器和降压转换器的损耗模型，以分析对系统效率的影响。
参考文献：
[1]Li，H.；Li，J.；Wang，K.；Chen，W.；Yang，X. A maximum efficiency point tracking control scheme for wireless power transfer systems using magnetic resonant coupling. IEEE Trans. Power Electron. 2014，30，3998–4008.
[2]Li，B.；Geng，Y.；Lin，F.；Yang，Z.；Igarashi，S. Design of constant voltage
compensation topology applied to wpt system for electrical vehicles. In Proceedings of the 2016 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC），Hangzhou，China，17–20 October 2016；pp. 1–6.
[3]Li，Z.；Zhu，C.；Jiang，J.；Song，K.；Wei，G. A 3-kW wireless power transfer system for sightseeing car supercapacitor charge. IEEE Trans. Power Electron. 2016，32，3301–3316.
[4]Yang，Y.；Zhong，W.；Kiratipongvoot，S.；Tan，S.C.；Hui，S.Y.R. Dynamic improvement of series–series compensated wireless power transfer systems using discrete sliding mode control. IEEE Trans. Power Electron. 2017，33，6351–6360.
作者简介：
孙睿（1989），女，工程师，硕士，研究方向为电力系统智能技术，电力市场条件下充电技术的开发与应用，电力市场营销及电力服务；
国家栋（1990），男，工程师，本科，研究方向为智能电网运维技术、蓄电池充放电运维研究技术；
刘水根（1990），男，工程师，本科，从事电力系统客户服务工作；
[3]Li，Z.；Zhu，C.；Jiang，J.；Song，K.；Wei，G. A 3-kW wireless power transfer system for sightseeing car supercapacitor charge. IEEE Trans. Power Electron. 2016，32，3301–3316.
[4]Yang，Y.；Zhong，W.；Kiratipongvoot，S.；Tan，S.C.；Hui，S.Y.R. Dynamic improvement of series–series compensated wireless power transfer systems using discrete sliding mode control. IEEE Trans. Power Electron. 2017，33，6351–6360.
作者简介：
孙睿（1989），女，工程师，硕士，研究方向为电力系统智能技术，电力市场条件下充电技术的开发与应用，电力市场营销及电力服务；
国家栋（1990），男，工程师，本科，研究方向为智能电网运维技术、蓄电池充放电运维研究技术；
刘水根（1990），男，工程师，本科，从事电力系统客户服务工作；
许康旺（1989），男，工程师，大学本科，研究方向营销管理与客户服务、电力市场改革。
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