電動汽車恒壓恒流充電系統(tǒng)設計

作者/劉瓊、湯坤、田會峰，江蘇科技大學電氣與信息工程學院

電動汽車恒壓恒流充電系統(tǒng)設計

作者/劉瓊、湯坤、田會峰，江蘇科技大學電氣與信息工程學院

無線電能傳輸系統(tǒng)(WPT)不同的拓撲具有不同的輸出電壓、輸出電流特性，本文提出了一種可切換諧振補償拓撲結構，可實現(xiàn)電動汽車恒流恒壓充電。對原、副邊線圈建立互感耦合模型，分析得出負載動態(tài)變化時可實現(xiàn)恒流恒壓輸出。撘建仿真模型和實驗平臺，驗證了電路分析的正確性。實驗驗證了當補償拓撲為LCL—S時，可實現(xiàn)電動汽車恒壓充電；當補償拓撲為LCL—P時，可實現(xiàn)電動汽車的恒流充電。

電動汽車；無線充電；恒壓恒流；策略

引言

無線電能傳輸技術是基于電磁場耦合技術，綜合了高頻變換技術、電力電子變化技術、電磁感應技術，利用現(xiàn)代控制理論和方法，使能量從原邊到副邊隔空傳輸，其與傳統(tǒng)的有線充電方式相比具有供電安全靈活、可靠性高、無機械磨損以及無接觸損耗等優(yōu)點[1—2]。電動汽車充電策略有恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電等多種方式。恒流充電是充電過程中電流保持恒定的一種充電策略，容易造成蓄電池過充，縮短使用壽命。恒壓充電是充電過程中電壓保持不變的一種充電策略，該方法雖不會引起過充，但是會出現(xiàn)充電不足現(xiàn)象[3]。恒壓恒流充電綜合恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點，不僅可以延長電池的使用壽命，而且可以實現(xiàn)對電池的充分充電。目前基于無線電能傳輸?shù)碾妱悠嚐o線充電策略多為恒流充電或者恒壓充電，本文提出了一種可切換補償拓撲實現(xiàn)電動汽車的恒流恒壓充電。當系統(tǒng)補償拓撲為LCL—P時，可實現(xiàn)恒流充電；當系統(tǒng)補償拓撲為LCL—S時，可實現(xiàn)恒壓充電。

1. LCL-S補償拓撲恒壓輸出原理

電動汽車無線充電系統(tǒng)采用的LCL—S補償拓撲，如圖1所示，圖中UAB是逆變器的輸出電壓，If是逆變器的輸出電流，Lf是補償電感，Lp是原邊線圈電感，Ip是原邊線圈流過的電流，Cp是原邊補償電容，Ls是副邊線圈電感，Cs是原邊補償電容，Is是副邊線圈流過的電流。

圖1 LCL—S補償拓撲電路圖

對其建立互感等效模型，得到圖2所示，當Lf= Lp 時原邊補償網(wǎng)絡可在固定角頻率0ω處諧振，因為Lf與Cp構成并聯(lián)諧振，可得，當副邊諧振網(wǎng)絡諧振時，可得URL=ω0MIp， 其中URL為負載兩端電壓。將Ip帶入求公式中，可得。由上述推到可知，當系統(tǒng)參數(shù)確定后，系統(tǒng)輸出電壓恒定不變，與負載大小無關，可實現(xiàn)電動汽車恒壓充電。

圖2 LCL—S等效電路圖

2. LCL-P補償拓撲恒流輸出原理

LCL—P補償拓撲電路圖，如圖3所示，圖中UAB是逆變器的輸出電壓，If是逆變器的輸出電流，Lf是補償電感，Lp是原邊線圈電感，Ip是原邊線圈流過的電流，Cp是原邊補償電容，Ls是副邊線圈電感，Cs是原邊補償電容，Ic是系統(tǒng)輸出電流。對其建立互感等效模型，如圖4所示。

圖3 LCL—P補償拓撲電路圖

圖4 LCL—P等效電路圖

3. 可切換補償拓撲分析

圖5 可切換拓撲示意圖

上述分析表明，當系統(tǒng)諧振補償拓撲為LCL—S時，系統(tǒng)可實現(xiàn)恒壓充電；諧振補償拓撲為LCL—P時，系統(tǒng)可實現(xiàn)恒流充電，可切換諧振補償拓撲如圖5所示。圖中，Edc是逆變器直流側電壓，VT1～VT4是開關管，Cf是濾波電容。K1、K2是副邊加入的切換開關，當K1斷開，K2位于1接觸點時，補償拓撲為LCL—S，可實現(xiàn)恒壓充電；當K1閉合，K2位于2接觸點時，補償拓撲為LCL—P，可實現(xiàn)恒流充電。

4. 仿真和實驗驗證

4.1 仿真驗證

在MATLAB/Simulink中構建無線充電電路。因為蓄電池在充電過程中電池等效內(nèi)阻是在逐漸變化的，故仿真過程中，在0.15，0.25s處使負載突變，電阻由30Ω突變到15Ω，再突變到10Ω。系統(tǒng)主要參數(shù)，如表1所示，仿真波形圖，如圖6所示。圖6（a）是LCL—P的仿真波形圖，從中可看出突變前后電流穩(wěn)定在同一值，實現(xiàn)了恒流輸出。圖6（b）是LCL—S的仿真波形圖，從中可以看出，突變前后電壓穩(wěn)定在同一值，實現(xiàn)了恒壓輸出。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)表

圖6 仿真波形圖

4.2 實驗驗證

為了驗證本文結論的正確性，搭建了相應的實驗平臺。實驗平臺負載選用的是4節(jié)12V，100Ah的蓄電池，將其串聯(lián)作為負載，原副邊線圈的距離是14cm。

圖7是恒流充電階段實驗波形圖，其中圖7（a）顯示電池端電壓Us=52.6V，充電電流Ic=6.1A；圖7（b）顯示端電壓為Us=61.8V，充電電流Ic=6.0A，可得在電池電壓增加過程中，充電電流保持恒定，符合恒流充電階段特點。

圖8是蓄電池的恒壓充電階段實驗波形圖，圖8（a）顯示電池端電壓Us=61.1V，充電電流Ic=5.5A，圖8（b）顯示電池端電壓Us=61.5V，充電電流Ic=1.3A，從圖中可看出，在充電過程中，充電電流不斷減小，端電壓基本不變，符合恒壓充電特點，實現(xiàn)了蓄電池的恒壓充電。

圖7 恒流充電實驗圖

圖8 恒壓階段實驗波形圖

5. 結語

本文分析了LCL—S和LCL—P補償拓撲的性質，在此基礎之上提出了一種可切換諧振補償電路，其可實現(xiàn)恒流恒壓輸出，進而可實現(xiàn)電動汽車的恒流恒壓充電，并進行了仿真和實驗驗證。

＊ [1]張智娟, 梁雪梅, 崔水香. 磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)負載特性研究[J]. 電力電子技術, 2015, 2(49): 90—92.

＊ [2]廖金華, 李建黎. 鉛酸蓄電池充電技術綜述[J]. 蓄電池, 2010, 47(3):132—135.

＊ [3]孫躍, 張歡, 陶維, 等. 基于變結構模式的寬負載恒壓感應耦合電能傳輸系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化, 2016, 40(5):109—114.

＊ [4] 野澤哲生, 蓬田宏樹. 偉大的電能無線傳輸技術[J].電子設計應用，2007(6):42—54.

＊ [5] 趙子明. 感應耦合式鋰電池無線充電平臺設計研究[D]. 杭州：浙江大學,2013.

＊ [6] 趙彪，冷志偉，呂良等.小型非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電力電子技術，2009, 43(1):49—51.

＊ [7] 路秋生.常用充電器電路與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.