基于雙邊LCL與LCC混合補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)汽車(chē)恒流恒壓無(wú)線充電系統(tǒng)的研究

紀(jì)鑫哲 周琬善 劉久付 潘生云 孔 放

基于雙邊LCL與LCC混合補(bǔ)償?shù)碾妱?dòng)汽車(chē)恒流恒壓無(wú)線充電系統(tǒng)的研究

紀(jì)鑫哲 周琬善 劉久付 潘生云 孔 放

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 211100）

為延長(zhǎng)無(wú)線充電汽車(chē)中蓄電池的使用壽命，提高充電效率和速度，滿足電池充電的過(guò)程先恒流充電到一定電壓后再恒壓充電的要求，本文從電路的本質(zhì)屬性出發(fā)，分析了雙邊LCC恒流輸出和雙邊LCL恒壓輸出特性，研究了對(duì)電池恒流恒壓充電的方法，并且設(shè)計(jì)了在切換狀態(tài)后，可以保持輸出電流和電壓處在同一個(gè)諧振頻率位置的充電電路。在Simulink中仿真，觀察輸出電流電壓特性，給出了一套可以實(shí)現(xiàn)雙邊LCC恒流輸出和雙邊LCL恒壓輸出功能的參數(shù)，同時(shí)研究了本方案的傳輸功率和傳輸效率。

無(wú)線充電；雙邊LCL；雙邊LCC；恒壓恒流

0 引言

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)具有的清潔、節(jié)能、無(wú)污染等特點(diǎn)使其較傳統(tǒng)能源汽車(chē)而言?xún)?yōu)勢(shì)明顯。因此大力發(fā)展使用電動(dòng)汽車(chē)，可以加快替代傳統(tǒng)能源汽車(chē)，減少汽車(chē)的尾氣排放，防止大氣污染。然而，目前電動(dòng)汽車(chē)的主要充電方式類(lèi)似于特斯拉的有線接觸充電，具有充電設(shè)備容易老化、充電人員有觸電的危險(xiǎn)、不便使用等缺點(diǎn)[1]，而且由于受到電池容量的限制，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程短，無(wú)法滿足人們的需求。隨著無(wú)線充電技術(shù)的興起，基于磁共振的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]。相比于有線充電，無(wú)線充電操作方便，便于維護(hù)，安裝于十字路口等場(chǎng)合，可以有效提高電動(dòng)汽車(chē)的里程數(shù)；同時(shí)，與電耦合式相比，磁耦合對(duì)人體影響 小[3]，所以磁耦合式的無(wú)線充電方式是當(dāng)下市場(chǎng)主流。1997年，奧克蘭大學(xué)與康穩(wěn)公司合作開(kāi)發(fā)了全球第一輛無(wú)線充電大巴[4]。韓國(guó)高鐵研究院的研究成果實(shí)現(xiàn)了在軌道交通中無(wú)線充電距離為5cm的條件下充電效率達(dá)到82.7%[5]。2017年，高通公司在法國(guó)實(shí)現(xiàn)了一輛小型電動(dòng)箱式貨車(chē)行進(jìn)過(guò)程中的無(wú)線充電，充電功率20kW[6]。國(guó)內(nèi)的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)及大學(xué)對(duì)磁共振無(wú)線充電應(yīng)用的研究也取得了可觀的成果。國(guó)內(nèi)的東南大學(xué)設(shè)計(jì)了次級(jí)DC-DC穩(wěn)壓電路滿足電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線電能傳輸（wireless power transfer, WPT）系統(tǒng)恒壓充電的要求[7]；2016年廣西電力科學(xué)院建設(shè)了一條長(zhǎng)33m的無(wú)線充電路段，實(shí)現(xiàn)了30kW的功率充電[8]。2018年，中國(guó)電科院在河北省張北縣建成了一條百米級(jí)的無(wú)線充電路段，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的移動(dòng)充電，且在20kW功率充電條件下，效率可達(dá)81%[9]。這些理論和工程研究都對(duì)WPT系統(tǒng)在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。雖然無(wú)線充電的電動(dòng)汽車(chē)研究在國(guó)家政策和社會(huì)的需求下取得了可觀的成果，但其商用性、效率和安全等方面仍然需要不斷探索。

電容在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有SS、SP、PP、PS 4種基本結(jié)構(gòu)，其中S和P分別表示電容在電路中的串聯(lián)和并聯(lián)。然而，這4種基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)受負(fù)載影響較大，在輕載時(shí)，功率傳輸效率會(huì)大幅下降[10]。為了減少電池充電時(shí)間同時(shí)延長(zhǎng)電池使用壽命，防止恒流充電導(dǎo)致過(guò)充，恒壓充電電池欠電壓等影響，對(duì)于車(chē)載電池采用先恒流充電，一段時(shí)間后再對(duì)其進(jìn)行恒壓充電。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了基于LCL-LC/LCL混合補(bǔ)償?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)，推導(dǎo)不同數(shù)學(xué)模型以及負(fù)載特性，分析了效率、電流/電壓增益與負(fù)載電阻的關(guān)系。文獻(xiàn)[12]搭建了一套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了線圈距離在20cm條件下，輸出功率為1kW，傳輸效率為92%的成果。文獻(xiàn)[13]利用二端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)雙LCL建立模型，給出了一套效率可觀的參數(shù)配置，可以實(shí)現(xiàn)給電池先恒流充電再恒壓充電的目的。本文系統(tǒng)地對(duì)雙邊高階補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)LCC和LCL的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，研究其應(yīng)用在無(wú)線充電中恒壓恒流的輸出特性及其在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用。

1 諧振網(wǎng)絡(luò)雙邊LCC與雙邊LCL切換實(shí)現(xiàn)恒壓恒流輸出的原理分析

本節(jié)從電路角度研究不受負(fù)載影響的恒流恒壓原理并作推導(dǎo)。系統(tǒng)去耦等效電路如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)去耦等效電路

1.1 恒流雙邊LCC原理分析

開(kāi)關(guān)S1、S2斷開(kāi)時(shí)是雙邊LCC狀態(tài)，設(shè)電壓源電壓為s，此時(shí)滿足

消除中間變量且電路諧振有

聯(lián)立代入有

1.2 恒壓雙邊LCL原理分析

開(kāi)關(guān)S1、S2閉合時(shí)是雙邊LCC狀態(tài)，設(shè)電壓源電壓為s。LCL補(bǔ)償電路與雙邊LCC共用一套電路結(jié)構(gòu)，故參數(shù)一致，且切換時(shí)諧振頻率不應(yīng)該改變。因此在滿足式（1）—式（3）的條件下還滿足

聯(lián)立式（6）—式（8）得

若

則輸出恒定電壓

在實(shí)現(xiàn)恒流恒壓輸出的前提下，還要保證在切換過(guò)程中充電電流的穩(wěn)定性，所以有

綜上所述，只要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)滿足式（3）、式（4）和式（10）與式（12）即可在實(shí)現(xiàn)恒壓恒流輸出的前提下切換開(kāi)關(guān)，保證系統(tǒng)在諧振時(shí)諧振頻率不變，充電電流穩(wěn)定。

2 雙邊LCC向雙邊LCL補(bǔ)償切換方案

根據(jù)電池充電的機(jī)理，即先進(jìn)行恒流充電在電池達(dá)到額定的控制電壓后改用恒壓充電，因此需要先測(cè)定電池電壓，再通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)以雙邊通信的方式控制開(kāi)關(guān)（繼電器）的閉合與斷開(kāi)。設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 高階補(bǔ)償電路切換方案設(shè)計(jì)

如圖2所示，P1為電池充電口，提供恒定的充電電流或恒定的充電電壓，P2為單片機(jī)AD模塊采樣接口，由于無(wú)線充電電壓較高，為了滿足單片機(jī)的AD值采樣范圍，需要滿足1遠(yuǎn)大于2。

設(shè)電池切換電壓為M，電池電壓為m，P2口處電壓為2，則滿足關(guān)系如下

當(dāng)m=M時(shí)，二次側(cè)單片機(jī)最小系統(tǒng)通過(guò)紅外發(fā)射器向一次側(cè)紅外發(fā)射信號(hào)，一次側(cè)接收信號(hào)后和二次側(cè)一起控制繼電器閉合，雙邊LCC切換成雙邊LCL。根據(jù)前面推導(dǎo)，切換后，充電頻率不會(huì)跳變。

3 仿真驗(yàn)證

基于上述分析，在Simulink和Electronics Workbench中搭建電路仿真模型，驗(yàn)證其正確性。

圖3 總體電路結(jié)構(gòu)

圖4 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電源輸出功率

圖5 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電源輸出電壓

圖6 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電源輸出電流

圖7 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)充電功率

圖8 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)充電電壓

圖9 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)充電電流

圖10 LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)恒流驗(yàn)證

圖11 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電源輸出功率

圖12 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電源輸出電壓

圖13 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)電源輸出電流

圖14 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)充電功率

圖15 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)充電電壓

圖16 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)充電電流

圖17 LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)恒壓驗(yàn)證

如圖4—圖6所示，LCC恒流充電的電源輸出功率約為1 795W，電壓為AC 220V，電流約為AC 20A；圖7—圖9為二次側(cè)的參數(shù)情況，其中充電電壓和電流分別約為AC 445V和AC 8.5A，充電功率約為1 764W，計(jì)算可得LCC恒流充電的效率高達(dá)98.3%。

在切換成LCL恒壓充電后，如圖11—圖13所示，電壓為AC 220V，電流約為AC 11.8A，電源輸出功率變?yōu)?87W；圖14—圖16為L(zhǎng)CL充電的二次側(cè)參數(shù)情況，可以測(cè)得二次側(cè)的充電電壓和充電電流分別為AC 140V和AC 7A，充電功率為473W，充電效率高達(dá)97.1%。

圖10和圖17是選取不同負(fù)載（以20W和50W為例）分別驗(yàn)證了雙邊LCC恒流效果和雙邊LCL恒壓充電效果，其中恒流充電與恒壓充電效果明顯，兩個(gè)圖中的兩條曲線完全重合，很好地驗(yàn)證了前面推導(dǎo)。在LCC切換到LCL狀態(tài)后，充電功率明顯下降，說(shuō)明恒流充電比恒壓充電的速度要快，符合電池充電模型。

在實(shí)際模型中，線路中存在導(dǎo)線損耗、漏磁通等功率損耗，但預(yù)計(jì)實(shí)際充電效率仍然可以達(dá)到95%左右，高于目前普遍對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電研究的90%，同時(shí)避免了傳統(tǒng)充電方式雙邊諧振頻率會(huì)發(fā)生跳變、產(chǎn)生諧波、影響充電質(zhì)量的問(wèn)題。在LCC切換成LCL之后，電流和電壓雖然發(fā)生跳變，但仍然符合實(shí)際電池充電過(guò)程模型。

4 結(jié)論

本文對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的充電結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了一種基于雙邊LCC和雙邊LCL切換的恒流恒壓充電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在運(yùn)用該結(jié)構(gòu)進(jìn)行充電時(shí)，電壓/電流滿足相關(guān)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)規(guī)范。在充電過(guò)程中，只需要切換一次開(kāi)關(guān)即可實(shí)現(xiàn)目的。同時(shí)，在切換后，充電頻率不發(fā)生跳變，使得充電過(guò)程具有平穩(wěn)性。從電路結(jié)構(gòu)和充電效率來(lái)看，為今后電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電提供了一種高效、實(shí)用的充電方式，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on constant current and constant voltage wireless charging system of electric vehicle based on hybrid compensation of bilateral LCL and LCC

JI Xinzhe ZHOU Wanshan LIU Jiufu PAN Shengyun KONG Fang

(College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100)

In order to extend the service life of wireless charging in the car battery, improve the charging efficiency and speed, meet the battery charging process of constant current charge first to a certain voltage constant voltage charging, in this paper, starting from the essential attribute of circuit, analyzes the bilateral LCC constant current output and bilateral LCL constant voltage output characteristic, studied the method of constant current constant voltage charging battery, and designs the after switching state, can keep the output current and voltage in same resonant frequency location of the charging circuit.In Simulink, the output current and voltage characteristics were observed, and a set of parameters which could realize the bilateral LCC constant current output and bilateral LCL constant voltage output weregiven. Meanwhile, the transmission power and efficiency of the scheme were studied.

wireless charging; bilateral LCL; bilateral LCC; constant current and constant voltage

2020-06-21

2020-07-31

紀(jì)鑫哲（2000—），男，吉林省松原市人，本科，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。