電動(dòng)汽車無線充電雙LCC電路特性分析與仿真

鄭雪欽，吳彬彬

(廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361024)

隨著能源的不斷開采，煤炭、石油等不可再生能源逐漸走向枯竭，電動(dòng)汽車因其節(jié)能環(huán)保越來越受到歡迎，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)安全方便可實(shí)現(xiàn)智能化控制越來越受到推崇[1]。目前，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)中關(guān)于諧振補(bǔ)償電路的研究主要集中在SS補(bǔ)償電路(series-series，SS)、LCL補(bǔ)償電路以及雙LCC補(bǔ)償電路[2]。文獻(xiàn)[3]主要分析SS拓?fù)渲须姼袇?shù)和負(fù)載參數(shù)對系統(tǒng)傳輸?shù)挠绊?；文獻(xiàn)[4-5]針對LCL拓?fù)鋮?shù)設(shè)計(jì)以及特性進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[6]針對LCL電路恒壓、恒流輸出特性進(jìn)行了深入研究；文獻(xiàn)[7]主要研究了雙LCC補(bǔ)償電路功率與效率問題。目前針對SS諧振電路研究較多，關(guān)于LCC補(bǔ)償電路特性涉及較少，本文根據(jù)電動(dòng)汽車無線充電恒流充電特點(diǎn)，針對LCC無功補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行研究，在此理論研究基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，滿足電動(dòng)汽車恒流充電要求。

1　諧振補(bǔ)償電路分析

常見的4種基本拓?fù)?結(jié)構(gòu))中，SS型與SP型為電壓型，PS與PP為電流型[8]。當(dāng)系統(tǒng)在諧振條件下，SS型原邊補(bǔ)償電容只與諧振角頻率以及原邊電感有關(guān)，而PS、SP、PP原邊補(bǔ)償電容均與互感M有關(guān)[9-10]。電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中，停車位置以及安裝等原因都將影響原副邊耦合程度發(fā)生變化，即互感M在變。因此，PS、SP、PP 3種拓?fù)洳贿m用于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中。如圖1所示，SS拓?fù)渲?，us為高頻交流電源，Cp，Lp以及Rp分別為原邊電容、電感以及電感等效內(nèi)阻；Cs，Ls，Rs與RL分別為副邊電容、電感、電感等效內(nèi)阻以及負(fù)載，M為原副邊線圈互感。根據(jù)KVL定律可得：

(1)

其中：

(2)

式(2)中：Z1為原邊阻抗，Z2為副邊阻抗。由式(2)簡化可得原副邊電流為

(3)

當(dāng)原副邊均處于諧振狀態(tài)時(shí)，諧振角頻率為

(4)

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)下，系統(tǒng)表現(xiàn)出純阻性狀態(tài)，如式(5)：

(5)

諧振狀態(tài)下原邊線圈電流為

(6)

當(dāng)副邊發(fā)生開路情況下電流為

(7)

原邊諧振電流頻率特性波形圖如圖2所示。在SS串聯(lián)諧振電路中，開關(guān)管只需要承受輸入電壓的大小，逆變橋必須提供流過線圈的全部電流，開斷過程電流應(yīng)力較大。當(dāng)副邊電路發(fā)生開路故障時(shí)，如果此時(shí)原邊電路工作在諧振狀態(tài)下，原邊線圈產(chǎn)生很大的電流，對于大功率無線電能傳輸系統(tǒng)來說非常危險(xiǎn)。因此，SS諧振補(bǔ)償電路存在開關(guān)器件應(yīng)力較大的缺點(diǎn)。為了克服缺點(diǎn)，選擇雙LCC諧振補(bǔ)償電路作為電動(dòng)汽車無線充電拓?fù)洌捎行p小開關(guān)器件應(yīng)力。

2　雙LCC諧振補(bǔ)償電路特性分析

2.1　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)如圖3所示，原副邊補(bǔ)償電路為對稱結(jié)構(gòu)，DC為直流源等效代表輸入電源，T1、T2、T3、T4構(gòu)成全橋逆變電路，L1、C1、C1s以及Lp構(gòu)成發(fā)射端諧振補(bǔ)償電路。Ls、C2s、C2以及L2構(gòu)成接收端諧振補(bǔ)償電路，M為發(fā)射線圈與接收線圈互感，RL為負(fù)載。L1與C1構(gòu)成低通濾波器，C1s與C2s分別補(bǔ)償了Lp與Ls的感抗。電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中，原副邊線圈感量一般較大，即圖中Lp與Ls感量較大，利用補(bǔ)償電容，在保證較大感量的同時(shí)可以減小支路感抗，提高線圈電流大小，進(jìn)而增強(qiáng)磁場強(qiáng)度，提升電能傳輸能力。雙LCC諧振補(bǔ)償電路與基本諧振補(bǔ)償電路相比，能有效濾除高頻逆變電路產(chǎn)生的諧波，提高原邊電能變換裝置輸出電源質(zhì)量，減小原邊開關(guān)管電流應(yīng)力。

2.2　諧振電路阻抗特性

如圖4(a)所示，雙LCC原邊等效電路，Zsp為副邊反射到原邊等效阻抗。圖4(b)中，V0為副邊感應(yīng)電壓，R為整流橋之后等效負(fù)載。

(8)

(9)

歸一化角頻率，即開關(guān)管工作頻率ω與系統(tǒng)固有頻率ω0的比值ωn=ω/ω0，發(fā)射端品質(zhì)因數(shù)Q=ω0L/Zsp，L和L1的比值λ=L1/L，式(9)可以表示為

(10)

假設(shè)逆變輸出電壓uin相位為0，逆變輸出電流為

(11)

(12)

則逆變器輸出電壓電流相位差表示為

(13)

當(dāng)θ=0時(shí)，λ=1，系統(tǒng)工作在純阻性狀態(tài)；當(dāng)θ<0時(shí)，λ>1;系統(tǒng)工作在感性狀態(tài)；當(dāng)θ>0時(shí)，λ<1,系統(tǒng)工作在容性狀態(tài)。

2.3　恒流/恒壓特性

2.3.1恒流輸出特性

(14)

由式(14)可得，輸出電流與負(fù)載大小無關(guān)，電路表現(xiàn)出恒流特性。輸入阻抗為

(15)

當(dāng)λ=1時(shí)，輸出電流為

(16)

輸入阻抗為純阻性，如式(17)：

ZP=ω0LQ。

(17)

此時(shí)電路不僅表現(xiàn)出恒流特性并且輸入阻抗為純阻性。

2.3.2恒壓輸出特性

(18)

輸入阻抗為

(19)

無論λ取何值系統(tǒng)均無法表現(xiàn)出純阻性狀態(tài)。電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中充電對象為動(dòng)力電池，本設(shè)計(jì)選擇恒流充電模式，即ωn=1，λ=1。

3　雙LCC諧振補(bǔ)償電路仿真

在Pspice軟件中建模進(jìn)行仿真，仿真電路模型如圖3所示。根據(jù)雙LCC諧振電路，結(jié)合電動(dòng)汽車無線充電要求，在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)諧振補(bǔ)償電路參數(shù)如表1所示，分別針對輸出電流頻率特性、阻抗頻率特性以及恒流/恒壓特性進(jìn)行仿真。為了突出電路恒流/恒壓特性，本文設(shè)計(jì)負(fù)載電阻變化幅度較大，實(shí)際充電過程中動(dòng)力電池內(nèi)阻發(fā)生變化幅度較小。

表1　雙LCC拓?fù)鋮?shù)設(shè)計(jì)Table 1　Double LCC topology parameters

3.1　系統(tǒng)頻率特性

3.1.1輸出電流頻率特性

3.1.2阻抗幅頻特性/相頻特性

對系統(tǒng)頻率進(jìn)行掃描時(shí)，掃描范圍20～100 kHz,輸入阻抗幅頻特性曲線與相頻特性曲線如圖6所示。當(dāng)頻率掃描到50 kHz時(shí)，輸入阻抗相位角為0°，此時(shí)阻抗幅頻特性曲線比較平滑，振幅沒有出現(xiàn)陡峭變化，說明輸入阻抗在此諧振點(diǎn)對頻率變化不敏感。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，阻抗相位角0°保持不變，不同負(fù)載條件下此諧振點(diǎn)工作狀態(tài)下阻抗振幅比較平滑，說明系統(tǒng)在這個(gè)諧振點(diǎn)工作比較穩(wěn)定。

3.2　恒流/恒壓特性

當(dāng)ωn=1，λ=1時(shí)，開關(guān)頻率與電路固有頻率一致。設(shè)置仿真時(shí)長10 ms，初始電阻R=10 Ω，當(dāng)t=6 ms時(shí)，R=20 Ω，t=8 ms時(shí)，R=40 Ω。不同負(fù)載條件下，恒流輸出特性曲線如圖7所示。不同負(fù)載情況下，輸出電流恒定，系統(tǒng)表現(xiàn)出恒流特性，與前面理論推導(dǎo)結(jié)論一致,輸出電壓隨負(fù)載增大而增大。

電動(dòng)汽車無線充電負(fù)載為電池，為了滿足設(shè)計(jì)要求，方便對動(dòng)力電池不同充電階段的控制(如恒流、恒功率等)，本設(shè)計(jì)選擇恒流充電模式，開關(guān)頻率與固有頻率保持一致，ωn=1，λ=1時(shí),電路不僅表現(xiàn)出恒流特性并且系統(tǒng)工作在純阻性狀態(tài)，逆變電源僅提供有功功率。

4　結(jié)論

針對電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)雙LCC諧振補(bǔ)償電路，對LCC電路阻抗頻率特性、恒壓恒流特性、耦合系數(shù)對輸出電壓電流的影響進(jìn)行理論推導(dǎo)，根據(jù)電動(dòng)汽車充電要求，最終將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成恒流充電模式，開關(guān)頻率與電路固有頻率相同，當(dāng)ωn=1，λ=1時(shí)，系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)，高頻電源僅提供有功功率。研究表明，LCC諧振補(bǔ)償電路可以有效濾除高次諧波，改善原邊電路電壓電流應(yīng)力和增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，滿足電動(dòng)汽車恒流充電要求。

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