基于蓄電池的快速無線充電技術(shù)仿真分析

錢杭 權(quán)家樂 王家旭

摘? 要：無線充電技術(shù)通常在供電電源端和用電設(shè)備端分別安裝能量發(fā)射線圈和能量接收線圈，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，完成電能的無線傳輸。其具有安全，日常維護少和操作簡便等優(yōu)點。文章介紹了一種可用于蓄電池的大功率快速無線充電系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的工作原理，制定了雙閉環(huán)的控制策略，并通過仿真進行了驗證。

關(guān)鍵詞：無線充電;蓄電池;雙閉環(huán)控制;仿真分析

中圖分類號：TM912? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0148-04

Abstract： The wireless charging technology usually installs the energy transmitting coil and the energy receiving coil at the power supply end and the electric equipment end respectively to realize the energy conversion and complete the wireless transmission of electric energy. The utility model has the advantages of safety， less daily maintenance and simple operation. In this paper， a high-power fast wireless charging system which can be used for storage battery is introduced， the working principle of the system is analyzed， and the double closed-loop control strategy is established and verified by simulation.

Keywords： wireless charging; battery; double closed-loop control; simulation analysis

1 概述

無線電能傳輸技術(shù)解決了傳統(tǒng)插拔式充電方式所面臨的接口限制、安全和便利性差等問題[1-2]，對于蓄電池這種需要進場進行充電的電源設(shè)備而言，與傳統(tǒng)充電方式比較，能夠較好地避免了充電接口的磨損。增加了設(shè)備的使用壽命。

另一方面，無線充電技術(shù)在供電電源端（原邊）和被充電設(shè)備端（副邊）沒有電氣連接，采用電磁能互相轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)電能的無線傳輸，電氣隔離的方式很好地避免了原邊和副邊的相互干擾。

本文對該無線充電的基本原理和其控制策略進行分析研究，提出了一種在系統(tǒng)原邊進行雙閉環(huán)控制的控制策略，該策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對充電電流的精確控制，還能保證原邊逆變器軟開關(guān)的實現(xiàn)，提高系統(tǒng)的傳輸效率[4]。

2 原理與設(shè)計

2.1 系統(tǒng)電路原理分析

該無線充電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)原邊包含整流電路、DC/DC變換電路、高頻逆變電路、LCC諧振電路和主線圈（發(fā)射能量）;副邊包含主線圈（接收能量）、LCC諧振電路、變壓器、整流電路和濾波電路。

根據(jù)圖1所示總體結(jié)構(gòu)框圖可知，系統(tǒng)通過原副邊的主線圈實現(xiàn)電能的無線傳輸。本文中，原副邊的主線圈采取相同結(jié)構(gòu)尺寸，因此原副邊主線圈自感相同。

圖2中的L1、L2分別為原邊、副邊主線圈自感，Lf1、Lf2分別為原邊、副邊諧振電感，Cf1、Cf2分別為原邊、副邊諧振電容，C1、C2分別為原邊、副邊補償電容，M為原-副邊主線圈耦合電感，Cdc1、Cdc2為原邊DC/DC變換器輸入和輸出電容，Lout為副邊濾波器電感，Cdc3、Cdc4為副邊濾波器電容。

根據(jù)對原-副邊LCC諧振電路分析，可以得出在諧振點下原邊逆變器的輸出電壓和電流的基波分量和高頻分量[3]。在基波下，逆變器的輸出電壓和電流的幾波分量可表示為：式中：ILf1為原邊逆變電路輸出電流的基波分量;ILf2為副邊LCC諧振網(wǎng)絡(luò)輸出電流的基波分量;？棕為諧振角頻率;UAB為原邊逆變電路輸出電壓基波分量有效值;Uab為副邊LCC諧振網(wǎng)絡(luò)輸出電壓基波分量有效值。

由于系統(tǒng)中高次諧波電流的影響，導(dǎo)致原邊逆變電路的輸出電流相位滯后于輸出電壓相位，其相位差為：

根據(jù)上述基頻和高頻特性分析，可得系統(tǒng)LCC諧振網(wǎng)絡(luò)傳輸功率為：

2.2 線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線充電的主線圈的設(shè)計對于無線充電系統(tǒng)具有重要作用，決定了其電能傳輸效率和其所能進行電能傳輸?shù)木嚯x。

主線圈一般有單極性和雙極性兩種結(jié)構(gòu)類型，單極性結(jié)構(gòu)一般有方形平面線圈、圓形平面線圈、圓形螺旋線圈以及方形螺旋線圈，在相同尺寸、匝數(shù)和傳輸距離下，圓形平面線圈的互感最大，也就是說其傳輸效率最高。雙極性線圈一般采用雙矩形線圈（DD形），雙極性線圈的自感量、耦合系數(shù)都比單極性線圈要大，但其尺寸也相應(yīng)較大，適用于大功率無線充電系統(tǒng)。在小功率無線充電系統(tǒng)中，通常選用圓形平面線圈。

本系統(tǒng)中主線圈采用的是圓形平面線圈結(jié)構(gòu)，并在一側(cè)放置磁芯，提高磁通量進而提高自感，同時能夠有效放置外界的干擾。線圈規(guī)格為直徑為20cm的平面圓形線圈，傳輸距離為4cm。通過ANSYSMaxwell仿真軟件構(gòu)建線圈模型，經(jīng)仿真可得原副邊主線圈自感分別為82.9？滋H、81.3？滋H，互感為38？滋H。

3 控制策略設(shè)計

系統(tǒng)中原邊DC/DC變換器的控制策略的設(shè)計采用雙閉環(huán)控制策略，在保證副邊在穩(wěn)定的充電功率狀態(tài)下，同時還需保證原邊逆變器實現(xiàn)軟開關(guān)。根據(jù)[4]可知實現(xiàn)原邊逆變器軟開關(guān)的條件是[4]：

采用電流外環(huán)和電壓內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，其中外環(huán)工作于恒流模式，保證副邊輸出的充電功率（充電電流）穩(wěn)定不變，內(nèi)環(huán)起到電壓跟隨的作用，保證DC/DC變換器的輸出電壓（逆變器直流側(cè)電壓）高于副邊LCC諧振網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓值，從而保證原邊逆變器軟開關(guān)的實現(xiàn)。

4 仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

本文采用PLECS仿真軟件構(gòu)建仿真模型，PLECS是一個用于電路和控制結(jié)合的多功能仿真軟件，尤其適用于電力電子和傳動系統(tǒng)。

本系統(tǒng)原邊采用單向220V作為電源輸入，主線圈的諧振頻率為85kHz，充電功率約為2400kW，充電電壓為28V，充電電流約為85.7A。其它關(guān)鍵仿真參數(shù)如表1所示，仿真示意圖如圖4所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)上述仿真參數(shù)進行仿真，由于涉及的充電功率為2400W，所以設(shè)定原邊DC/DC變換器的電感電流為8A即可滿足要求。系統(tǒng)仿真的相關(guān)波形如圖5～圖7所示。

根據(jù)圖5可知，原邊DC/DC變換器電感電流在雙閉環(huán)控制策略下穩(wěn)定在8A。

從圖6中的逆變器輸出電壓電流波形可以看出，在逆變器開關(guān)管關(guān)斷時刻的電流為正值，滿足式（4）中的逆變器軟開關(guān)的實現(xiàn)要求。

圖7中的仿真波形顯示，該系統(tǒng)能夠為28V蓄電池提供穩(wěn)定的充電電流，其充電電流約為86.4A滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計的無線充電系統(tǒng)適用蓄電池的快速充電，由于系統(tǒng)副邊輸出特性是恒流源特性，因此可適用于多種電壓等級的蓄電池。通過仿真分析可以得出以下結(jié)論：

（1）其充電功率可通過原邊DC/DC變換器的電感電流進行控制，雙閉環(huán)PI控制策略具有良好的穩(wěn)定性。

（2）雙閉環(huán)控制策略可以在保證較高的充電功率的基礎(chǔ)上，保證原邊逆變器軟開關(guān)的實現(xiàn)，從而可以再減小系統(tǒng)的開關(guān)損耗。

（3）在系統(tǒng)原邊所采用的雙閉環(huán)PI控制策略盡管能夠取得較好的控制效果，但是其動態(tài)響應(yīng)還有待提高。此外本仿真模型沒有考慮實際的電阻損耗和開關(guān)損耗等相關(guān)損耗模型，所以在實際情況下，充電電流會略低于仿真所得的充電電流。該仿真對實際無線充電平臺的設(shè)計具有較強的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]Meng J，Yunfei M U，Jianzhong WU，et al.Dynamic Frequency Response From Electric Vehicles in the Great Britain power system[J].Journal of Modern Power Systems&Clean Energy，2015，3（2）：203-211.

[2]朱春波，姜金梅，宋凱，等.電動汽車動態(tài)無線充電關(guān)鍵技術(shù)研究進展[J].電力系統(tǒng)自動化，2017，41（2）：60-65.

[3]Li S，Li W，Deng J，et al.A Double-sided LCC Compensation Network and Its Tuning Method for Wireless Power Transfer[J].IEEE Trans.On Vehicular Technolgy，2015，64（6）：2261-2273.

[4]錢杭，張立炎，陳啟宏，等.動態(tài)無線充電的軟開關(guān)及控制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2019，53（1）：90-106.