雙LCL諧振型無線充電系統設計*

景玉軍

雙LCL諧振型無線充電系統設計*

景玉軍

（中山職業技術學院，廣東 中山 528400）

針對傳統無線充電系統在充電階段因原副邊線圈偏離移動，對整個電能傳輸系統運行效率、穩定性造成較大影響的問題，分析了一種雙LCL復合諧振網絡無線充電系統的優勢，設計了雙LCL諧振型無線充電網絡結構，并通過仿真驗證了其在無線充電中應用的可行性。

無線充電系統；雙LCL復合諧振；充電；網絡結構

前言

新能源汽車產業成為國家汽車工業的戰略方向，不僅可以系統地解決能源安全問題，還可以實現中國汽車產業“彎道超車”，同時還能帶動材料、電池、電機、控制系統、充電設備等產業的共同發展，促進中國經濟戰略轉型。《中國制造2025重點領域技術路線圖》中提出，到2020年自主新能源汽車年銷量突破100萬輛，市場份額達到70%以上；到2025年形成自主可控完整的產業鏈，與國際先進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到80 %以上。但是當前新能源汽車在充電的方便性、快捷性等方面都較嚴重的阻礙了純電動汽車的快速發展。因此，無線充電方式無需直接進行電氣連接可實現純電動汽車移動式在線充電，不僅解決了續航里程短、充電頻繁的問題，而且整體電源輸送較方便，且穩定性較高。因此，對電動汽車的無線充電系統進行研究非常必要。

1 LCL諧振型無線電能傳輸補償網絡特性

圖1 LCL電路拓撲

由于線圈電流僅與對應側激勵電壓存在聯系，因此，在互感下降，或另一側為零互感的情況下，線圈電流均可維持標準水平[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短路情況時，一側變換器輸出電流會穩定不變，同時促使另外一側輸出電流歸零，呈現突出的魯棒性，保證系統參數一定時傳輸功率最大。

2 雙LCL諧振型無線充電系統諧振補償方案設計

當前無線充電傳輸網絡諧振補償可以利用串聯-串聯、串聯-并聯、并聯-并聯、并聯-串聯等電路連接方式，在發射端、接收端兩側同時進行伏安容量補償[4]。其中，串聯-串聯補償方式主要是發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-并聯補償方式需要電壓后端串聯電感，將電壓源轉換為電流源后與發射端線圈連接，此時由于發射端線圈電路輸出處于恒定狀態，接收端并聯補償輸出可假定為電壓源；并聯-串聯補償方式，接收端串聯補償輸出可假定為電流源[5]。在上述傳輸模式中，串聯-串聯結構所獲得最大傳輸功率遠高于其他結構。因此，為保證雙LCL諧振型無線充電傳輸網絡諧振補償后最大傳輸功率與串聯串聯結構最大傳輸功率相同，綜合利用耦合系數增加、直流電壓增加、諧振頻率更改等方式，促使相同參數下LCL結構最大傳輸功率有效提升。耦合系數增加主要是在假定雙LCL諧振型無線電能輸送網絡中逆變器開關頻率與對應補償結構中接收端、諧振頻率相同的情況下，促使LCL結構諧振拓撲參數與串聯-串聯結構諧振拓撲闡述一致，以保證LCL結構最大傳輸功率與串聯-串聯最大傳輸功率相同，會導致LCL耦合系數超出標準1，實現難度較大。直流電壓增加主要是在假設原副邊處于完全對稱狀態情況下，將原副邊電壓同時增加一定倍數，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，在相關標準限度內適當改動系統工作頻率。另外，依據到相關標準限制，還可在控制耦合系數一定的基礎上，考慮發射端線圈、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實現

高效、穩定的無線電力能源傳輸理論上應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勢，設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補償網絡、次級LCL補償網絡兩電感數值一致，則在歸一化角頻率為1時，次級工作狀態與初級工作狀態相同，且負載電流不會次級工作狀態、初級工作狀態中電阻造成影響。此時，在雙LCL諧振型無線電能傳輸系統實際運行過程中，可固定磁路結構位置、系統參數，促使無線電力傳輸動力蓄電池恒流充電階段負載電流大小恒定。通過對負載電壓大小進行檢測，可促使電壓上升至蓄電池電壓，結束恒流電力能源輸送過程。在恒流電力能源輸送結束之后，可以恒定電壓小電流的形式，在初級補償電容兩端并聯一個與其容量相同的無感電容，以開關為控制樞紐，調整并聯后無感電容切入、切除，提高電池傳輸飽和程度。

如圖2所示，u1、u2分別為網側經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分別為網側經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'為并聯的無感電阻；L1、L2、L1'、L2'是LCL網絡中的電感；R1、R2、R1'、R2'為負載電阻；i、i1、i2、i1'、i2'為LCL網絡負載電流。

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仿真驗證分析

4.1 雙LCL諧振型無線充電系統仿真驗證方案設計

為驗證雙LCL諧振型無線充電系統運行特性，以Ansoft軟件為載體，采用頻率較高的圓盤型設計方式，結合電磁安全運行標準，對雙LCL諧振型車載接收端進行了優化設計，即選擇一個φ580mm的圓盤方案，從Ansoft軟件內提取三維模型，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的高頻線進行并聯設置。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絡運行參數與現有元件技術相適應，可限制發射端線圈電流、開關頻率及接收端品質因素分別在38A、28kHz、5.8。同時設定發射端線圈、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仿真結果

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發射端激勵頻率為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），不會發生磁飽和，可以保證雙LCL諧振型無線電能輸送網絡穩定運行。同時考慮到發射端線圈、接收端線圈在橫方向、縱方向位置移動會導致雙LCL諧振型無線電能輸送網絡互感變化。據此，結合實際測量結果，從接收端線圈自感、實測發射端線圈自感、耦合率、兩線圈輸出功率等方面，對比上述Ansoft有限元仿真數據，可得出兩者誤差＜5.0%，且隨著橫方向發射端線圈、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絡輸出功率值在穩步上升，耦合率在穩步下降。同理，在縱方向發射端線圈、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，且耦合率會穩步下降。在橫方向發射端線圈、接收端線圈位置偏離移動程度達到125.0mm，縱方向發射端線圈、接收端線圈位置偏離移動程度達到255.0mm時，輸出功率會上升14.9W，耦合率會降低0.125%。

5 結語

綜上所述，無線充電系統存在的安全風險問題可應用雙LCL諧振型結構調節逆變器輸出頻率、初級諧振電容切入、切除模式，以實現負載恒定電流、恒定電壓輸出，即發射端移動式在線電能傳輸。由于雙LCL諧振型結構的無線充電系統沒有物理層面直接接觸，可以從根本上降低充電階段出現的接觸式火花風險；同時，對于雙LCL諧振型結構傳輸功率偏小的問題，可以結合串聯-串聯結構運行特點，對諧振參數進行優化調整，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穩定、高效、安全運行。

[1] 危水根,王斌,劉斌,等. LCL型APF控制新方法[J].山東工業技術, 2017(10):210-210.

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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，就職于中山職業技術學院，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

中山職業技術學院校級科研項目(2017KQ15)；中山職業技術學院校級教研教改項目（YJB1718）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.003

CLC NO.: TM910.6