基于發射側T/F變結構補償網絡的恒壓/恒流無線充電系統

譚平安 廖佳威 譚廷玉 宋 彬 鄧怡萌

基于發射側T/F變結構補償網絡的恒壓/恒流無線充電系統

譚平安 廖佳威 譚廷玉 宋 彬 鄧怡萌

（湘潭大學自動化與電子信息學院 湘潭 411105）

隨著新能源產業的迅速發展，鋰電池以其優越的性能得到市場的青睞。為滿足鋰電池充電過程中對恒流和恒壓的實際需求，提升充電的靈活性與安全性，該文提出一種基于發射側T/F變結構補償網絡的恒壓/恒流無線充電系統。首先剖析在不同電源輸入工況下串聯-串聯（S-S）型補償網絡的基本輸出特性，同時結合高階補償網絡的構造機理，借此衍生出適用于鋰電池無線充電的變結構補償網絡的設計思想。在此基礎上，利用等效電路分別建立恒壓和恒流充電模式的分析模型，推導實現系統恒定輸出和維持零相角狀態的基本條件，揭示系統增益與變結構補償網絡參數之間的內在聯系，闡明基于發射側電流大小的充電模式切換方法。最后通過仿真與實驗驗證變結構補償網絡的恒壓/恒流無線充電系統及其參數設計方法的正確性和有效性。

無線充電 恒壓 恒流 變結構補償 零相角

0 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術是一種以電磁波為能量載體，使電能以非接觸的方式從發射端傳輸到接收端給負載供能的技術。該技術具有靈活便利、安全可靠、支持多設備同時供電等特點，使得部分特定用電場合擺脫電纜的束縛成為可能[1]。WPT技術將對現有充電模式產生革命性影響，加速推動電動汽車、智能電網、醫療器械、家用電器、航空航天等領域技術和裝備發展，提高能源利用效率和便利性，其市場潛力不可小覷[2]。

蓄電池在新能源產業中扮演著很重要的角色，相比傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池，鋰電池憑借其比能量大、質量輕、循環壽命長、無記憶效應等優勢[3-4]，在眾多蓄電池中脫穎而出，逐漸開始走向主流，并認為是電池未來的發展趨勢。鋰電池的充電過程大致分為恒流（Constant Current, CC）充電階段和恒壓（Constant Voltage, CV）充電階段，首先在恒流充電模式下進行充電，當充電電壓達到鋰電池的閾值電壓時，進入恒壓充電模式，直到充電電流大小接近零時，充電過程結束，在充電過程中鋰電池的等效電阻B將會不斷變化[5-7]。現有鋰電池的充電方法大多為接觸式充電，其充電過程無法實現自動化和智能化，如能采用WPT技術實現鋰電池的非接觸充電，將會極大地提高鋰電池充電的靈活性與安全性。為此，探尋適用于鋰電池的非接觸充電方法將對推動無線電能傳輸技術的發展具有重要意義。

無線電能傳輸系統的傳統補償網絡有串聯-串聯（Series-Series, S-S）、串聯-并聯（Series-Parallel, S-P）、并聯-串聯（Parallel-Series, P-S）和并聯-并聯（Parallel-Parallel, P-P）四種類型。當激勵為電壓源時，以上系統本身就具備恒流或恒壓輸出特性[8]。此外，為了滿足不同應用場合對恒流和恒壓輸出特性的實際需求，已有較多文獻提出了不同的補償網絡拓撲結構，大致可分為單一補償網絡設計、接收側復合補償網絡設計和發射側復合補償網絡設計 三類。

（1）單一補償網絡設計。文獻[9]提出了一種LCL-LCC補償網絡，該補償網絡實現恒流輸出的同時其發射側電流不受負載變化的影響，但到充電末期因電池極化內阻的原因導致虛電壓較高，使得電池充不滿，還會影響電池壽命。文獻[10]提出的LCL-LCL補償網絡在保持發射側電流不變的前提下，可以實現多負載恒壓輸出。文獻[11]提出的S-CLC補償網絡可以維持恒壓輸出，且不受松耦合變壓器參數的束縛。單一補償網絡無法實現恒流和恒壓輸出特性的自適應切換，不能很好地滿足鋰電池的充電需求。

（2）接收側復合補償網絡設計。僅考慮接收側補償網絡的結構變化，發射側補償網絡維持不變，可實現CC/CV充電模式的自適應切換。文獻[12]提出了一種S-S/P型補償網絡，該方法發射端為串聯補償，接收側可為串聯補償或并聯補償，通過實時檢測發射側的電流大小來實現H橋逆變器的移相控制，從而維持CC/CV輸出的穩定。文獻[13]提出了一種S-LCL/CLC型補償網絡，該補償網絡可使得系統的輸入阻抗呈阻性，其電壓/電流增益僅與工作頻率和互感大小有關。調頻會造成系統失諧，而互感大小與線圈參數、傳輸距離和相對偏移等諸多因素有關，難以實現有效的調節，因此也存在著增益固化的弊端。文獻[14]根據T型網絡和F型網絡的基本特性，提出了一種F-F/T復合補償網絡的電場耦合無線電能傳輸系統，接收端通過3個開關實現恒流T型網絡和恒壓F型網絡之間的轉換，整個系統能始終運行在零相角（Zero Phase Angle, ZPA）狀態，然而發射端和接收側均含有四階補償網絡，其參數設計較為復雜，且未考慮互感變化對系統穩定性的影響。

（3）發射側復合補償網絡設計。僅考慮發射側補償網絡的結構變化，接收側補償網絡維持不變，同樣可實現CC/CV充電模式的自適應切換。文獻[15]基于四種基本補償網絡提出了S/P-S型和S/P-P型兩種補償網絡，采用3個輔助開關實現對發射側S/P型補償網絡的結構切換，均能滿足鋰電池的CC/CV充電需求，但系統增益控制自由度低，且存在輔助開關較多的不足。文獻[16]基于變補償網絡參數思想提出了一種CC/CV復合型WPT系統，由于補償網絡的輸入阻抗不呈純阻性，使得系統不能始終運行在ZPA狀態。

為此，本文在深入分析S-S型補償網絡工作機理的基礎上，將T/F型補償網絡和S-S型補償網絡進行了有機結合，提出了一種TS/FS-S變結構補償網絡的恒壓/恒流型感應式無線充電系統[17]。該方法中，T/F型補償網絡具有調節恒流/恒壓輸出增益的功能，S-S補償電路起到高效傳遞能量的作用。其優勢在于無需進行移相控制、改變輸入電壓或線圈自感，通過調整T/F補償網絡的元件參數，便能改變輸出電流或電壓的大小，從而滿足不同鋰電池的充電需求，并且減少了輔助開關的數量，可使得系統工作在ZPA狀態。本文首先介紹該補償網絡的設計思想及構成，運用等效電路模型分析恒壓和恒流充電模式的基本原理及補償網絡的參數設計；然后闡明系統恒壓/恒流工作模式的切換控制；最后通過仿真及實驗驗證了該方法的有效性。

1 補償網絡設計思想

在感應式無線電能傳輸系統的四種基本補償電路中，S-S型補償網絡相比其他三種補償網絡有著結構簡單、魯棒性強的優勢，因此本文選擇在S-S型補償網絡的基礎上進行恒流恒壓補償結構的設計。基于S-S型補償網絡的感應式WPT系統在不同激勵下的等效電路如圖1所示。圖中，in為輸入電壓，in為輸入電流，p為發射線圈電感，p為發射側補償電容，s為接收線圈電感，s為接收側補償電容，p為發射側電流，s為接收側電流，o為負載電阻，o為負載電壓，o為負載電流，為系統的角頻率，為線圈間的互感。以下分析均基于理想情況，不考慮電源內阻和線圈內阻。

圖1 WPT系統等效電路

綜上所述，如果要實現對鋰電池的CC/CV工作模式自適應切換，就需通過有效手段來改變ab端輸入電源的類型。如果系統同時提供電壓源和電流源，雖能滿足實際需求，但會大大增加制造成本。另外，考慮到實際應用中系統輸入常為電壓源，擬在電壓源和ab端口之間增加一個變結構補償網絡，變結構補償的WPT系統如圖2所示。此補償網絡會根據負載端的CC/CV充電需求來改變結構，使得在CC模式充電時，該補償網絡輸出為電壓源，即壓控壓（Voltage Controlled Voltage, VCV）模式；在CV模式充電時，該補償網絡輸出為電流源，即壓控流（Voltage Controlled Current, VCC）模式[17]。

圖2 變結構補償的WPT系統

圖3 二端口等效電路

2 系統構成及其工作機理

在以上分析的基礎上，同時結合T型網絡和F型網絡的基本傳輸特性，本文提出了一種基于發射側T/F變結構補償網絡的恒壓/恒流型感應式無線充電系統，其拓撲結構如圖4所示。發射側由直流電壓源dc、H橋逆變電路、高階補償網絡和發射線圈組成；接收側由串聯補償網絡、整流和濾波電路以及鋰電池等效電阻B組成，B為電池電壓。該系統通過輔助開關S1和S2來實現補償網絡結構的改變，從而滿足負載端對CC和CV充電模式的實時需求。當S1閉合、S2斷開時，由補償電感1、2，補償電容1t1s和p組成TS補償網絡；當S1斷開、S2閉合時，由補償電感1、2，補償電容1t、2和p組成FS補償網絡。

圖4 變結構補償的無線充電系統

2.1 恒壓輸出

當開關S1閉合、S2開關斷開時，CV充電模式對應的電路拓撲結構如圖5所示。逆變器輸出的交流電壓等效為電壓源s，點畫線框內為T型補償網絡，虛線框內為含S-S補償網絡的耦合機構，L為鋰電池電阻B折射到整流電路輸入端的等效電阻，在不計整流橋損耗的前提下[19]滿足

根據基爾霍夫定律，CV模式等效電路方程如下

為了方便計算表達，令

經整理可得流經eq上的電流為

要實現T型網絡的輸出電流不受負載變化的影響，則應該使式（8）中eq的系數為零，即滿足

此時式（8）可以化簡為

經計算T型網絡的輸入阻抗表達式為

為了實現ZPA，即阻抗in呈純阻性，則需滿足

在此前提下，式（11）可以化簡為

由圖1b和圖6，可知

結合式（2）和式（10）可得，等效負載L上的電壓有效值表達式為

由式（6）和式（13）可得，電路的輸入阻抗為

根據式（15）可知，如果維持輸入電壓Vs、電感L1和互感M不變，則可以實現恒壓輸出。輸出電壓VB與電感L1的關系如圖7所示，當互感和輸入電壓不變時，輸出電壓VB與電感L1成反比，與負載大小無關。為適應不同負載所需的電壓等級，可由式（15）來確定電感L1值。當需求的輸出電壓大于輸入電壓時，可以設定L1＜M；當需求的輸出電壓小于輸入電壓時，可以設定L1＞M。此外，從式（16）可知，系統的輸入阻抗為純阻性，電路運行在ZPA狀態，有助于減少系統無功功率，將更多的能量傳遞到負載端。

2.2 恒流輸出

圖9 CC模式等效電路

經計算可以得到等效電阻eq兩端的電壓相量為

其中

此時式（18）和式（19）可以化簡為

由圖2可知，in=veq，由式（1）和式（21）可知等效電阻L上的電流有效值的表達式為

結合式（6）和式（22）可以得到恒流模式電路的輸入阻抗表達式為

由式（23）可知，如果維持輸入電壓s、電感2和1、互感及角頻率不變，則可以實現恒流輸出。輸出電流B與2/1的關系如圖10所示，當互感、角頻率和輸入電壓不變時，輸出電流B與2/1值成正比，與負載大小無關。為適應不同蓄電池所需的充電電流，可由式（23）來確定2/1值。由式（24）可知，恒流模式下系統的輸入阻抗為純阻性，電路同樣運行在ZPA狀態。

圖10 輸出電流IB與L2/L1的關系

3 切換控制方法

兩種充電模式的切換時機是根據實時充電電壓是否達到閾值電壓來確定的，由于變結構補償網絡的切換開關在發射側，為避免在發射側和接收側之間使用無線通信設備，本文提出一種將電池電壓B折射到發射側，通過檢測發射線圈的電流p的大小來實現兩種充電模式的自適應切換，系統的控制原理示意圖如圖11所示。

圖11 系統控制原理示意圖

電池電壓有效值B與整流橋的輸入電壓有效值o，在不計整流橋損耗的前提下，其關系[13]為

由于inp，將式（25）代入到式（2）中，得到電池充電電壓B與發射側電流有效值p的關系表達式為

將電池閾值電壓BAT代入到式（26）中，可以得到充電模式切換的基準電流pref為

于是，通過檢測發射線圈的電流，當滿足ppref時，相當于電池電壓B達到了閾值電壓BAT，此時控制器發出信號，開關動作，發射側補償結構由FS切換至TS結構，系統進入恒壓充電階段。由于具體的開關切換控制方法已經十分成熟，在文獻[8]中已詳細介紹，本文不再贅述。

4 實驗驗證

為驗證本文所提出的變結構補償網絡恒壓/恒流無線充電系統的正確性和有效性，參照圖11所示的系統結構搭建了實驗樣機。主要由直流電源、全橋逆變器、補償網絡、發射線圈、接收線圈、整流器、電子負載、控制器組成。其中逆變器4個MOSFET開關管的型號為47N60C3；補償電感12選用耐流為15A的KS090125鐵鋁硅磁環電感，避免過電流引起補償電感飽和；發射線圈和接收線圈的材料為銅線，線徑為1.2mm，發射線圈20匝，接收線圈18匝，兩個線圈間距為5cm。具體的WPT系統電路參數見表1。實驗方案采用艾德克斯IT8814電子負載模擬鋰電池充電過程中等效電阻B逐漸增大的過程[13,18]，每隔5W測一組數據，當電阻B增大到200W時，充電電流變化趨于緩和。為此，電池等效電阻B的選取范圍為5～200W。首先，通過改變電池等效電阻B分別測量CC模式和CV模式時的輸出電壓和電流大小來驗證系統的恒定輸出特性，然后通過示波器測得逆變器輸出的電流、電壓波形，觀察兩者的相位情況來驗證系統的ZPA特性。

表1 WPT系統電路參數

Tab.1 Circuit parameters of WPT system

實驗結果如下：電池等效電阻B從5～200W的變化過程中，系統輸出電流、電壓波形如圖12所示。由于負載變化范圍較寬，橫軸取等效電阻B的對數值lgB。從圖12中能明顯看到兩種充電模式的分界，切換時刻的等效電阻為20W，電池電壓B=41.56V，一次電流p=2.11A，與式（27）得到的理論值2.19A較為吻合。其中，恒流階段的輸出電流B在2.10～2.14A之間，誤差為±1.9%；恒壓階段的輸出電壓B在42.4～43.7V之間，誤差為±3.1%。實驗的誤差與實驗樣機中整流橋損耗、逆變器損耗、線圈電阻和補償網絡電阻等因素有關。

圖12 系統輸出電流、電壓波形

圖13給出了系統從恒流充電到恒壓充電階段的效率曲線。從圖中可以看出，在恒流充電階段，隨著輸出功率的增加，系統效率也隨之增大。當電池電壓B達到閾值電壓時，系統輸出功率為87.3W，系統效率為86.84%；在恒壓充電階段，由于電容1s的斷開和電容2接入電路，補償網絡電阻會有所增加，導致系統的效率有所下降。隨著輸出功率的逐漸減小，逆變器、補償網絡和整流器的功率損耗占比增加，由此系統效率下降明顯。當輸出功率為10W時，系統效率下降到50%。

圖13 系統的效率曲線

為驗證所提出的恒流/恒壓無線充電系統在不同的負載情況下均能運行在ZPA狀態，首先采用補償網絡使得系統滿足式（12）和式（20）的基本條件，分別對恒流充電模式和恒壓充電模式的輸出特性進行了相應的實驗分析。

當系統工作在恒流充電模式時，分別測量電阻B為5W、10W、15W和20W時逆變器輸出的電流和電壓波形，恒流模式逆變器輸出波形如圖14所示。當電阻B逐漸增大時，結合式（5）和式（24）可知，系統輸入阻抗將隨之減小，因此逆變器的輸出電流將隨之增大。由實驗結果可知，在電阻B變化時，輸出電壓s和電流p始終保持同相位，即系統均運行在ZPA狀態。

當系統工作在恒壓充電模式時，分別測量電阻B為25W、30W、35W和40W時逆變器輸出的電流和電壓波形，恒壓模式逆變器輸出波形如圖15所示。當電阻B逐漸增大時，結合式（5）和式（16）可知，系統輸入阻抗將隨之增大，因此逆變器的輸出電流隨之減小。由實驗結果可知，在電阻B變化時，輸出電壓s和電流p基本保持同相位，可以認為系統在CV充電過程中也處于ZPA狀態。

圖14 恒流模式逆變器輸出波形

圖15 恒壓模式逆變器輸出波形

5 結論

為滿足鋰電池對恒流和恒壓的實際充電需求，同時減少輔助開關數量和提高系統增益的控制自由度，本文在總結分析現有補償網絡的基礎上，將S-S型補償網絡和高階補償網絡相結合，提出一種基于變結構補償網絡的恒流恒壓WPT系統拓撲的構造方法。借助該思路，設計了一種基于發射端T/F變結構補償網絡的恒壓/恒流型無線充電系統，實驗結果表明，該系統同時具備恒流恒壓特性以及ZPA特性，驗證了本文所提出的補償網絡構造方法的有效性，按照該設計思路可進一步構造更多高階的變結構補償網絡，以滿足電氣設備的不同充電需求。

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Constant Voltage/Constant Current Wireless Charging System Based on T/F Variable Structure Compensation Network of Transmitter-Side

（School of Automation and Electronic Information Xiangtan University Xiangtan 411105 China）

With the development of new energy industry, lithium battery is favored by the market for its superior performance. In order to meet the actual requirement of constant current and constant voltage in the process of lithium battery charging, and to improve the flexibility and safety of charging, this paper proposes a constant voltage/constant current wireless charging system based on T/F variable structure compensation network at the transmitter side. Firstly, the basic output characteristics of S-S compensation network under different power input conditions are analyzed, and the design idea of variable structure compensation network suitable for wireless charging of lithium battery is derived based on the construction mechanism of higher-order compensation network. Secondly, the analysis models of constant voltage and constant current charging mode are established by the equivalent circuit. The basic conditions for realizing the constant output and maintaining the zero phase angle state of the system are derived, and the internal relationship between the system gain and the variable structure compensation network parameters is revealed. At the same time, the control method of switching charging mode by sampling the current of the transmitting side is given. Finally, the variable structure compensation network of the system is verified by simulation and experiment.

Wireless charging, constant voltage, constant current, variable structure compensation, zero phase angle

TM724

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.191711

湖南省教育廳優秀青年基金（18B072）和湖南省自然科學基金（2018JJ2400）資助項目。

2019-12-06

2020-01-17

譚平安 男，1979年生，博士，副教授，研究方向為無線電能傳輸、機器學習。E-mail: tanpingan@126.com（通信作者）

廖佳威 男，1993年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸。E-mail: 530638112@qq.com

（編輯 陳 誠）