LCC-LC串聯(lián)混合型抗偏移恒流無線充電

鞏兆偉 李金剛 同向前 張寧超

LCC-LC串聯(lián)混合型抗偏移恒流無線充電

鞏兆偉1,2李金剛1同向前1張寧超2

（1. 西安理工大學電氣工程學院 西安 710054 2. 西安工業(yè)大學電子信息工程學院 西安 710021）

針對電動汽車無線充電線圈偏移造成充電電流不穩(wěn)定和效率低的問題，提出基于參數(shù)優(yōu)化的LCC-LC串聯(lián)混合型抗偏移恒流無線充電設計方法。建立LCC和LC補償網(wǎng)絡的數(shù)學模型，分析二者電流輸出特性，得到LCC輸出電流與互感呈正相關(guān)，LC輸出電流與互感呈負相關(guān)。采用DDQ線圈結(jié)構(gòu)，解決初級、次級線圈同側(cè)解耦及異側(cè)解耦控制，實現(xiàn)LCC和LC均與負載無關(guān)的獨立恒流輸出；通過系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化選擇合適的諧振網(wǎng)絡參數(shù)，采用串聯(lián)混合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)補償網(wǎng)絡電壓輸入互補，進而使系統(tǒng)具有抗偏移恒流輸出能力。最終搭建310W實驗樣機，驗證系統(tǒng)恒流抗偏移輸出效果。實驗結(jié)果表明，在橫向偏移50%范圍下系統(tǒng)輸出電流仍能保持較好的穩(wěn)定性，在設定值的5%范圍內(nèi)波動，并且最高效率可達91%。

無線充電 恒流輸出 抗偏移 串聯(lián)混合型 LCC-LCC拓撲 LC-LC拓撲

0 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）是通過初級、次級線圈間的高頻交變磁場進行能量傳輸?shù)募夹g(shù)[1-3]。該技術(shù)較傳統(tǒng)的插拔式供電方式，無物理接觸、無機械磨損、無漏電的危險，且不受外界環(huán)境的影響[4-5]。因此在醫(yī)療設備、電子產(chǎn)品、水下設備、軌道交通和電動汽車等領域有著廣泛的應用前景[6-8]。

電動汽車無線充電系統(tǒng)主要由高頻逆變器、補償網(wǎng)絡、耦合線圈和高頻整流等組成。在充電過程中存在著負載等效阻抗的變化和耦合線圈偏移的情況，這就要求系統(tǒng)可實現(xiàn)與負載無關(guān)的恒流輸出，并具有一定抗偏移輸出能力[9-11]。

目前針對WPT系統(tǒng)進行抗偏移能力提升，主要從控制策略、補償網(wǎng)絡和耦合結(jié)構(gòu)等方面進行設計改進。在控制策略方面，針對次級線圈偏移造成輸出電壓不穩(wěn)的問題，文獻[12]提出在負載側(cè)增加Buck變換器實現(xiàn)負載端恒壓輸出。在系統(tǒng)發(fā)生和方向偏移情況下，可保證輸出電壓穩(wěn)定，但是由于增加DC-DC變換環(huán)節(jié)，導致整體效率下降。針對電動汽車動態(tài)充電過程中，負載端接收功率波動的缺點，文獻[13]提出建立兩個高頻逆變器，經(jīng)過兩個發(fā)射線圈協(xié)調(diào)控制同時給負載供電來抑制功率輸出波動，但是系統(tǒng)控制比較復雜。在耦合結(jié)構(gòu)方面，文獻[14]提出建立三維立體線圈結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)不同位置的能量接收，但是該結(jié)構(gòu)體積大，不適合電動汽車無線充電。文獻[15]設計一種非對稱結(jié)構(gòu)的耦合結(jié)構(gòu)，當系統(tǒng)偏移1/3的時候，輸出效率可達91.9%，但是抗偏移范圍不大。在補償網(wǎng)絡方面，文獻[16]提出采用DDQ（Double-D Quadrature）線圈結(jié)構(gòu)進行解耦，發(fā)射端并聯(lián)，接收端串聯(lián)的混合補償拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)恒壓輸出。搭建1kW樣機，當次級線圈方向偏移50%時，電壓輸出波動在5%范圍。文獻[17]提出四象限網(wǎng)孔的DD線圈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)線圈間解耦，該線圈結(jié)構(gòu)實現(xiàn)抗偏移恒壓輸出。文獻[18]提出基于DD線圈的LCC-LC串聯(lián)混合型抗偏移恒流無線充電結(jié)構(gòu)，在方向偏移50%時實現(xiàn)3.3kW恒流輸出，但是沒有研究分析系統(tǒng)參數(shù)對抗偏移恒流輸出的影響。文獻[19]提出補償電感的參數(shù)優(yōu)化方法，當接收線圈最大偏移49.3%時，電流輸出波動控制在5%范圍，系統(tǒng)最大效率為87.55%。但是該結(jié)構(gòu)存在當系統(tǒng)處于空載或偏移距離較大時，會導致逆變器輸出電流過大甚至有燒毀逆變器的危險。已有的方法可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)抗偏移輸出，但沒有兼顧抗偏移恒流輸出和整體高效率。

本文為了提高電動汽車無線充電的抗偏移恒流輸出能力和整體效率，降低系統(tǒng)控制復雜度，首先分析了LCC-LCC和LC-LC電路工作特性，詳細總結(jié)分析二者的輸出功率與負載、耦合系數(shù)的關(guān)系。在此基礎上設計基于參數(shù)優(yōu)化的LCC-LC串聯(lián)混合型無線充電結(jié)構(gòu)，并推導研究其恒流輸出特性。采用DDQ線圈結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)初級、次級線圈同側(cè)解耦和異側(cè)解耦控制，保證LCC-LCC和LC-LC的獨立恒流輸出。設計合理的電路參數(shù)，采用串聯(lián)拓撲電路實現(xiàn)補償網(wǎng)絡輸入電壓互補，保證系統(tǒng)抗偏移恒流輸出。最后搭建310W實驗樣機，實現(xiàn)在間隙距離110mm，橫向偏移50%范圍內(nèi)輸出電流波動控制在5%之內(nèi)，并且最高效率可達91%。

1 系統(tǒng)電路拓撲分析

1.1 LCC-LCC和LC-LC電路分析

分別列寫各自的KVL和KCL方程，可以得到等效負載的電流，即

圖1 LCC-LCC與LC-LC拓撲電路

同時，根據(jù)輸出電流，可得其輸出功率分別為

式中，1、3為逆變器輸出電壓有效值；互感1和2與耦合數(shù)滿足

由式（3）建立圖2所示系統(tǒng)的輸出功率與負載和耦合系數(shù)的3D曲線，可以發(fā)現(xiàn)，LC的輸出功率在耦合系數(shù)=0.05附近達到最大，之后隨著增大而減?。籐CC的輸出功率變化緩慢，隨著耦合系數(shù)的增大而增大，將這兩種電路拓撲串聯(lián)有利于抑制互感的變化導致的輸出功率波動，實現(xiàn)抗偏移恒流輸出。

圖2 LCC-LCC與LC-LC拓撲功率輸出3D曲線

1.2 LCC-LC串聯(lián)混合型電路分析

補償網(wǎng)絡的等效輸入電壓。13、14、23和24為交叉耦合互感，AB為系統(tǒng)等效負載。利用受控電壓源方法對電路拓撲進行等效分析，根據(jù)KVL和KCL列寫方程可得

其中

2 系統(tǒng)線圈設計與參數(shù)優(yōu)化

2.1 系統(tǒng)線圈設計

根據(jù)串聯(lián)混合型補償網(wǎng)絡的電路特性分析可得，要實現(xiàn)與負載無關(guān)的恒流輸出耦合線圈互感13、14、23、24都是零時才能實現(xiàn)。因此，本系統(tǒng)采用DDQ線圈結(jié)構(gòu)，其中Q線圈產(chǎn)生的磁場在線圈中心方向，DD線圈由兩個纏繞方向相反、大小相等的線圈組成，會產(chǎn)生兩個大小相等、方向相反的磁場。

圖4為本系統(tǒng)設計的DDQ結(jié)構(gòu)線圈，圖中，1和2為Q線圈，3和4為DD線圈。初級發(fā)射線圈1和3緊密貼合，次級接收線圈2和4緊密貼合，保持相對位置不變實現(xiàn)同側(cè)互感解耦。其中Q線圈的尺寸為280mm×280mm，DD線圈的尺寸為280mm×280mm，方向高度為110mm。

該DDQ耦合線圈結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)初級、次級同側(cè)的DD和Q線圈解耦，互感為0；同時當系統(tǒng)處于正對或方向偏移的時候，不同側(cè)的DD和Q線圈也可以解耦，避免不同線圈的相互耦合，實現(xiàn)負載獨立恒流輸出。

圖4 DDQ結(jié)構(gòu)線圈

通過對DDQ線圈的分析可得，當系統(tǒng)在方向進行偏移時，主互感12、34和交叉互感14、23不等于0，此時串聯(lián)混合型拓撲不能實現(xiàn)與負載無關(guān)的恒流輸出。因此本文主要研究線圈沿方向變化的情況，采用顧緯LCR6300儀器對系統(tǒng)的自感和耦合系數(shù)進行測量，DDQ實測參數(shù)如圖5所示，由圖5a可知，線圈的自感不隨系統(tǒng)的偏移而改變。其中Q線圈自感為150mH，DD線圈為156mH。由圖5b可得，交叉耦合系數(shù)13、14、23、24在方向偏移增大過程中，幾乎保持不變；主耦合系數(shù)12、34隨著偏移的增大，都會下降。Q線圈的整體耦合系數(shù)高于DD線圈，但是當偏移距離達到110mm附近時，Q線圈下降的程度比DD線圈的快。由于LC補償網(wǎng)絡隨著耦合系數(shù)的降低，會造成逆變器的輸出電流迅速增大，甚至會燒毀逆變器。因此，系統(tǒng)的LCC線圈采用Q結(jié)構(gòu)，LC線圈采用DD結(jié)構(gòu)。

圖5 DDQ實測參數(shù)

2.2 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設計

針對系統(tǒng)發(fā)生偏移時造成輸出電流不穩(wěn)定問題，本文提出基于電感0和5的參數(shù)優(yōu)化設計方法，實現(xiàn)一定偏移范圍內(nèi)保證系統(tǒng)恒流輸出。根據(jù)線圈實測的自感和耦合系數(shù)可知，在方向偏移50%的情況下，系統(tǒng)的主互感12和34可近似成一次函數(shù)，即

式中，和為相關(guān)系數(shù)，可由Matlab軟件一次擬合函數(shù)計算得到。當系統(tǒng)的DDQ線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)（線圈的材料、尺寸和間距高度等因素）發(fā)生改變時，會導致方向偏移的耦合系數(shù)12和34變化趨勢發(fā)生改變，則參數(shù)和需要重新計算。

根據(jù)實驗測得系統(tǒng)自感和耦合系數(shù)，計算參數(shù)和分別是0.52和2.17×10-6，主互感12變化范圍是[14, 30]mH，則系統(tǒng)輸出電流的有效值可表示為

式中，0為逆變器輸出電壓的有效值。

進而根據(jù)式（10），可得整理后的負載端電流L為

為了簡化分析，假設電感L0和L5的參數(shù)值相等。圖6為不同電感L0負載端電流曲線關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，當電感L0降低，負載端電流會升高。同時，隨著系統(tǒng)線圈偏移增大過程中，即系統(tǒng)互感M12降低時，負載端電流表現(xiàn)為先增大、后減少的變化趨勢。本文設計系統(tǒng)最大輸出電流4A，電流允許偏差5%，即圖6中虛線方框區(qū)域可滿足在系統(tǒng)x方向偏移50%情況下恒流輸出，因此選擇電感L0和L5為16mH。根據(jù)實驗中測得Q線圈的自感L1和L2，DD線圈的自感L3和L4，系統(tǒng)諧振角頻率w以及參數(shù)優(yōu)化的電感L0和L5，進而由式（1）可求得電容C0、C1、C2、C3、C4和C5等元件參數(shù)。

3 實驗驗證

通過對上述電路拓撲的理論分析，搭建圖7所示的LCC-LC串聯(lián)混合型抗偏移恒流無線充電實驗平臺，具體的實驗參數(shù)見表1。其中，系統(tǒng)采用直徑為4.0mm的高頻利茲線，初級、次級線圈間距為110mm。

圖7 實驗平臺

表1 系統(tǒng)實驗電路參數(shù)

Tab.1 Configurations of the system experimental circuit

實驗中，選取負載分別15W、16W、17W、18W4組參數(shù)，接收線圈從偏移為0增加至140mm位置，以18W負載在偏移0mm的輸出電流4.048A為基準。圖8為不同負載發(fā)生偏移的輸出電流，系統(tǒng)輸出電流介于3.85～4.25A之間，滿足偏差±5%的要求。其中，系統(tǒng)在相同的偏移情況下，15W負載輸出電流最大，18W負載時輸出電流略微下降。當接收線圈偏移到140mm時，系統(tǒng)輸出電流最小。同時發(fā)現(xiàn)，負載電流隨著偏移距離的增大呈先增大后降低的變化趨勢，有利于提高系統(tǒng)抗偏移能力。

圖8 x方向偏移負載電流

圖9為15W負載在系統(tǒng)偏移0mm、80mm、140mm的逆變器輸出電壓和電流、負載端的電壓和電流波形。此時負載的電流分別為4.118A、4.248A和3.990A，電流的變化率分別為1.72%、4.94%和1.43%，滿足設計需求。逆變器的輸出電壓和電流相位偏差很小，幾乎沒有無功輸入。

圖9 負載15W 時x方向偏移的逆變器輸出電壓和輸出電流、負載端電壓和電流波形

圖10為18W負載在系統(tǒng)偏移0mm、80mm、140mm的逆變器輸出電壓和電流、負載端的電壓和電流波形。此時負載的電流分別為4.048A、4.176A和3.880A，電流的變化率分別為0%、3.16%和4.15%，滿足設計需求。同時逆變器的輸出電壓和電流幾乎同相位，電壓超前電流實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)（Zero Voltage Switching, ZVS），降低開通損耗提高系統(tǒng)效率。

圖10 負載18W 時x方向偏移的逆變器輸出電壓和輸出電流、負載端電壓和電流波形

圖11為系統(tǒng)輸出功率和效率隨接收線圈方向偏移變化曲線，圖11a為不同負載的輸出功率與接收線圈偏移的曲線，輸出功率隨著方向偏移距離的增大，呈先增大后降低的變化趨勢，與負載輸出電流變化曲線保持一致。輸出功率隨著負載的加重而增大，其中18W負載在系統(tǒng)偏移至80mm處達到最大輸出功率310W。

圖11b為系統(tǒng)整體效率與接收線圈偏移的曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)偏移的增大，系統(tǒng)耦合系數(shù)下降，導致系統(tǒng)的整體效率降低，其中18W負載的效率整體高于15W負載，系統(tǒng)的最高效率可達91%。

圖11 系統(tǒng)輸出功率和效率隨線圈x方向偏移變化

4 結(jié)論

本文基于LCC-LCC與LC-LC拓撲電路具有與負載無關(guān)的恒流輸出的特性，且輸出電流與其互感分別呈正相關(guān)和負相關(guān)的關(guān)系，設計基于參數(shù)優(yōu)化的LCC-LC串聯(lián)混合型無線充電拓撲，并分析得出該拓撲在交叉耦合為零時具有抗偏移恒流輸出的特性，選取DDQ線圈作為耦合機構(gòu)，實現(xiàn)耦合機構(gòu)同側(cè)和異側(cè)交叉解耦，通過選擇合適的補償參數(shù)，設計系統(tǒng)在方向偏移50%范圍內(nèi)輸出電流始終介于5%范圍以內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)抗偏移恒流輸出，同時系統(tǒng)幾乎沒有無功輸入。在實驗中負載在15～18W范圍內(nèi)變化時，系統(tǒng)輸出電流的波動范圍始終介于設定的4.048A附近，線圈最大橫向偏移140mm。實驗結(jié)果表明，本文搭建的310W系統(tǒng)樣機在方向上具有一定抗偏移恒流輸出能力，故本文為電動汽車抗偏移無線充電提供了一種行之有效的方法。

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LCC-LC Series Hybrid Wireless Charging with Misalignment Tolerance and Constant Current Outpt

1,2112

（1. School of Electrical Engineering Xi’an University of Technology Xi’an 710054 China 2. School of Electronic Information Engineering Xi’an Technological University Xi’an 710021 China）

Aiming at the problem of unstable charging current and low efficiency caused by offset of EV wireless charging coils, LCC-LC series with anti-offset constant current wireless charging structure based on parameter optimization is proposed. The mathematical model of LCC and LC compensation network is established to analyze the current output characteristics. It is found that the LCC output current is positively correlated with mutual inductance, while LC output current is negatively correlated with mutual inductance. The double-D Quadrature coil structure is adopted to solve the ipsilateral decoupling control of primary and secondary coils, thereby realizing load-independent constant current output of LCC and LC. Appropriate resonant network parameters are selected through parameter optimization, the voltage input of compensating network is complemented through series hybrid structure, and the system has anti-offset constant current output capability. Finally, a 310W experimental prototype was designed to investigate the misalignment tolerance of the system output current. The experimental results show that within the lateral offset range of 50%, the output current of the system can maintain good stability, fluctuates within 5% of the set value, and the maximum efficiency can reach 91%.

Wireless charging, constant current output, misalignment tolerance, series hybrid structure, LCC-LCC topology, LC-LC topology

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210124

TM724

鞏兆偉 男，1987年生，博士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術(shù)。E-mail: 911737860@qq.com

李金剛 男，1968年生，副教授，碩士生導師，研究方向為感應加熱與無線電能傳輸技術(shù)。E-mail: 18351055@qq.com（通信作者）

國家自然科學基金（12004292）和西安市科技計劃（2020KJRC0035）資助項目。

2021-01-24

2021-04-28

（編輯 陳 誠）