雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)設(shè)計*

景玉軍

雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)設(shè)計*

景玉軍

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 中山 528400）

針對傳統(tǒng)無線充電系統(tǒng)在充電階段因原副邊線圈偏離移動，對整個電能傳輸系統(tǒng)運行效率、穩(wěn)定性造成較大影響的問題，分析了一種雙LCL復(fù)合諧振網(wǎng)絡(luò)無線充電系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計了雙LCL諧振型無線充電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過仿真驗證了其在無線充電中應(yīng)用的可行性。

無線充電系統(tǒng)；雙LCL復(fù)合諧振；充電；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

前言

新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為國家汽車工業(yè)的戰(zhàn)略方向，不僅可以系統(tǒng)地解決能源安全問題，還可以實現(xiàn)中國汽車產(chǎn)業(yè)“彎道超車”，同時還能帶動材料、電池、電機、控制系統(tǒng)、充電設(shè)備等產(chǎn)業(yè)的共同發(fā)展，促進(jìn)中國經(jīng)濟戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型?！吨袊圃?025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中提出，到2020年自主新能源汽車年銷量突破100萬輛，市場份額達(dá)到70%以上；到2025年形成自主可控完整的產(chǎn)業(yè)鏈，與國際先進(jìn)水平同步的新能源汽車年銷量300萬輛，自主新能源汽車市場份額達(dá)到80 %以上。但是當(dāng)前新能源汽車在充電的方便性、快捷性等方面都較嚴(yán)重的阻礙了純電動汽車的快速發(fā)展。因此，無線充電方式無需直接進(jìn)行電氣連接可實現(xiàn)純電動汽車移動式在線充電，不僅解決了續(xù)航里程短、充電頻繁的問題，而且整體電源輸送較方便，且穩(wěn)定性較高。因此，對電動汽車的無線充電系統(tǒng)進(jìn)行研究非常必要。

1 LCL諧振型無線電能傳輸補償網(wǎng)絡(luò)特性

圖1 LCL電路拓?fù)?/p>

由于線圈電流僅與對應(yīng)側(cè)激勵電壓存在聯(lián)系，因此，在互感下降，或另一側(cè)為零互感的情況下，線圈電流均可維持標(biāo)準(zhǔn)水平[3]，且變換器輸出電流可隨著互感的變化而變化，保證互感降低工況下正常運行；另外在LCL諧振型電路副邊出現(xiàn)短路情況時，一側(cè)變換器輸出電流會穩(wěn)定不變，同時促使另外一側(cè)輸出電流歸零，呈現(xiàn)突出的魯棒性，保證系統(tǒng)參數(shù)一定時傳輸功率最大。

2 雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)諧振補償方案設(shè)計

當(dāng)前無線充電傳輸網(wǎng)絡(luò)諧振補償可以利用串聯(lián)-串聯(lián)、串聯(lián)-并聯(lián)、并聯(lián)-并聯(lián)、并聯(lián)-串聯(lián)等電路連接方式，在發(fā)射端、接收端兩側(cè)同時進(jìn)行伏安容量補償[4]。其中，串聯(lián)-串聯(lián)補償方式主要是發(fā)射端線圈直接與電壓源連接，同時接收端線圈直接與電壓源連接；并聯(lián)-并聯(lián)補償方式需要電壓后端串聯(lián)電感，將電壓源轉(zhuǎn)換為電流源后與發(fā)射端線圈連接，此時由于發(fā)射端線圈電路輸出處于恒定狀態(tài)，接收端并聯(lián)補償輸出可假定為電壓源；并聯(lián)-串聯(lián)補償方式，接收端串聯(lián)補償輸出可假定為電流源[5]。在上述傳輸模式中，串聯(lián)-串聯(lián)結(jié)構(gòu)所獲得最大傳輸功率遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)。因此，為保證雙LCL諧振型無線充電傳輸網(wǎng)絡(luò)諧振補償后最大傳輸功率與串聯(lián)串聯(lián)結(jié)構(gòu)最大傳輸功率相同，綜合利用耦合系數(shù)增加、直流電壓增加、諧振頻率更改等方式，促使相同參數(shù)下LCL結(jié)構(gòu)最大傳輸功率有效提升。耦合系數(shù)增加主要是在假定雙LCL諧振型無線電能輸送網(wǎng)絡(luò)中逆變器開關(guān)頻率與對應(yīng)補償結(jié)構(gòu)中接收端、諧振頻率相同的情況下，促使LCL結(jié)構(gòu)諧振拓?fù)鋮?shù)與串聯(lián)-串聯(lián)結(jié)構(gòu)諧振拓?fù)潢U述一致，以保證LCL結(jié)構(gòu)最大傳輸功率與串聯(lián)-串聯(lián)最大傳輸功率相同，會導(dǎo)致LCL耦合系數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)1，實現(xiàn)難度較大。直流電壓增加主要是在假設(shè)原副邊處于完全對稱狀態(tài)情況下，將原副邊電壓同時增加一定倍數(shù)，以增加原副邊電壓等級，即器件耐壓等級；諧振頻率更改主要是在無線電力能源輸送階段，在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限度內(nèi)適當(dāng)改動系統(tǒng)工作頻率。另外，依據(jù)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制，還可在控制耦合系數(shù)一定的基礎(chǔ)上，考慮發(fā)射端線圈、輸出端線圈完全對稱因素，降低線圈電感。

3 雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)實現(xiàn)

高效、穩(wěn)定的無線電力能源傳輸理論上應(yīng)完全與馬斯曲線貼合，但由于各種因素的影響，即使采用了無線充電補償方法，也難以獲得理想的效果。借鑒三階段恒流恒壓充電優(yōu)勢，設(shè)置一種恒流恒壓可切換式的無線電能傳輸方式，即假定初級LCL補償網(wǎng)絡(luò)、次級LCL補償網(wǎng)絡(luò)兩電感數(shù)值一致，則在歸一化角頻率為1時，次級工作狀態(tài)與初級工作狀態(tài)相同，且負(fù)載電流不會次級工作狀態(tài)、初級工作狀態(tài)中電阻造成影響。此時，在雙LCL諧振型無線電能傳輸系統(tǒng)實際運行過程中，可固定磁路結(jié)構(gòu)位置、系統(tǒng)參數(shù)，促使無線電力傳輸動力蓄電池恒流充電階段負(fù)載電流大小恒定。通過對負(fù)載電壓大小進(jìn)行檢測，可促使電壓上升至蓄電池電壓，結(jié)束恒流電力能源輸送過程。在恒流電力能源輸送結(jié)束之后，可以恒定電壓小電流的形式，在初級補償電容兩端并聯(lián)一個與其容量相同的無感電容，以開關(guān)為控制樞紐，調(diào)整并聯(lián)后無感電容切入、切除，提高電池傳輸飽和程度。

如圖2所示，u1、u2分別為網(wǎng)側(cè)經(jīng)AC/DC變換獲得的直流母線電壓、副邊全控橋輸出直流母線電壓；i1、i2分別為網(wǎng)側(cè)經(jīng)AC/DC變換獲得的直流母線電流、副邊全控橋輸出直流母線電流；C1、C1'為并聯(lián)的無感電阻；L1、L2、L1'、L2'是LCL網(wǎng)絡(luò)中的電感；R1、R2、R1'、R2'為負(fù)載電阻；i、i1、i2、i1'、i2'為LCL網(wǎng)絡(luò)負(fù)載電流。

圖2 雙LCL諧振型無線電能傳輸圖

4 雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)仿真驗證分析

4.1 雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)仿真驗證方案設(shè)計

為驗證雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)運行特性，以Ansoft軟件為載體，采用頻率較高的圓盤型設(shè)計方式，結(jié)合電磁安全運行標(biāo)準(zhǔn)，對雙LCL諧振型車載接收端進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，即選擇一個φ580mm的圓盤方案，從Ansoft軟件內(nèi)提取三維模型，同時選擇九個不同類型的磁心，所選擇磁心采用三層疊加的方式，第一層φ為179.0mm，第二層φ為24.0mm，第三層φ為4.0mm。利用兩路11匝φ為3.8mm的高頻線進(jìn)行并聯(lián)設(shè)置。驗證實驗所采用的高頻線為AWG38線路。另外，為促使雙LCL諧振型無線電能輸送網(wǎng)絡(luò)運行參數(shù)與現(xiàn)有元件技術(shù)相適應(yīng)，可限制發(fā)射端線圈電流、開關(guān)頻率及接收端品質(zhì)因素分別在38A、28kHz、5.8。同時設(shè)定發(fā)射端線圈、接收端線圈在縱方向上的距離20.0cm。

4.2 雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)仿真結(jié)果

表1 線圈位置移動時耦合率及輸出功率仿真值（局部）

在雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)發(fā)射端激勵頻率為28khz，且激勵電流有效值為338A時，最大磁心通過密度為114.0mT＜磁心理論最高磁通密度（300.0mT），不會發(fā)生磁飽和，可以保證雙LCL諧振型無線電能輸送網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行。同時考慮到發(fā)射端線圈、接收端線圈在橫方向、縱方向位置移動會導(dǎo)致雙LCL諧振型無線電能輸送網(wǎng)絡(luò)互感變化。據(jù)此，結(jié)合實際測量結(jié)果，從接收端線圈自感、實測發(fā)射端線圈自感、耦合率、兩線圈輸出功率等方面，對比上述Ansoft有限元仿真數(shù)據(jù)，可得出兩者誤差＜5.0%，且隨著橫方向發(fā)射端線圈、接收端線圈位置偏離移動程度的增大，雙LCL諧振型無線電能輸送網(wǎng)絡(luò)輸出功率值在穩(wěn)步上升，耦合率在穩(wěn)步下降。同理，在縱方向發(fā)射端線圈、接收端線圈位置偏離移動程度增加時，線圈輸出功率會上升較小的幅度，且耦合率會穩(wěn)步下降。在橫方向發(fā)射端線圈、接收端線圈位置偏離移動程度達(dá)到125.0mm，縱方向發(fā)射端線圈、接收端線圈位置偏離移動程度達(dá)到255.0mm時，輸出功率會上升14.9W，耦合率會降低0.125%。

5 結(jié)語

綜上所述，無線充電系統(tǒng)存在的安全風(fēng)險問題可應(yīng)用雙LCL諧振型結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)逆變器輸出頻率、初級諧振電容切入、切除模式，以實現(xiàn)負(fù)載恒定電流、恒定電壓輸出，即發(fā)射端移動式在線電能傳輸。由于雙LCL諧振型結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)沒有物理層面直接接觸，可以從根本上降低充電階段出現(xiàn)的接觸式火花風(fēng)險；同時，對于雙LCL諧振型結(jié)構(gòu)傳輸功率偏小的問題，可以結(jié)合串聯(lián)-串聯(lián)結(jié)構(gòu)運行特點，對諧振參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以獲得更高的最大傳輸功率，保證雙LCL諧振型無線充電系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、安全運行。

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Design of a Double LCL Resonant Wireless Charging System*

Jing Yujun

（Zhongshan Polytechnic, Guangdong Zhongshan 528400）

Aiming at the problem that the traditional wireless charging system has a great influence on the efficiency and stability of the whole power transmission system because of the deviation and movement of the original secondary coil in the charging stage, this paper analyses the advantages of a dual LCL composite resonant network wireless charging system, designs a dual LCL resonant wireless charging network structure, and passes the simulation test. The feasibility of its application in wireless charging is proved.

Wireless power transfer system;Double LCL composite resonant;Charging;Network structure

A

1671-7988(2019)21-09-03

景玉軍（1979-），男，四川三臺人，碩士，講師，就職于中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向為汽車電子控制、智能交通控制。

TM910.6

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1671-7988(2019)21-09-03

中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科研項目(2017KQ15)；中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級教研教改項目（YJB1718）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.003

CLC NO.: TM910.6