基于雙邊LCC補償的無通信型原邊控制無線充電系統研究

郎文文 何家房 李振杰

摘要：為降低無線充電系統對于無線通信的依賴，并且實現負載的不同充電需求，本文提出基于雙邊LCC補償的無通信型原邊控制方法。首先，采用T型二端口網絡推導了基于原邊電氣參數的充電電流和充電電壓辨識模型。其次，設計了用于恒流/恒壓充電的閉環控制器，采用電路仿真分析了工作性能;設計了具有較強抗偏移性能的DD型磁耦合機構，采用磁場仿真分析了耦合特性。最后，搭建實驗裝置，實驗結果驗證了本文所提方法的可行性。

關鍵詞：無線電能傳輸，雙邊LCC補償，無實時通信，恒流/恒壓充電

1. 引言

雖然傳導式充電成熟度高、應用廣泛，但存在接口摩損與老化、手動操作繁瑣、漏電觸電隱患以及易受天氣環境影響的問題。2007年，麻省理工學院的物理學助理教授Marin Soljacic及其研究團隊在《Science》期刊上提出基于四線圈結構的磁耦合諧振式無線充電技術，以空間磁場作為能量傳輸載體并且借助諧振補償和電能變換技術實現無線電能傳輸[1]。較之于傳統的磁感應式無線充電技術，磁耦合諧振式無線充電技術具備傳輸距離遠、傳輸功率大以及傳輸效率高等優點[2-3]。

實際應用中，電池充電過程中等效負載電阻動態變化導致充電電流和充電電壓波動，有必要采用閉環控制確保無線充電系統的穩定且可靠恒流/恒壓充電性能。閉環充電控制方法主要包括原邊控制、副邊控制。其中，副邊控制采用的電路包括DC-DC變換器以及有源整流電路。文獻[4-5]采用PI控制器調節Buck變換器的占空比實現恒流/恒壓充電，缺點在于接收端的體積、成本和損耗較大，原邊控制采用的電路包括DC-DC變換器和全橋逆變器，并且控制方法分為充電信息反饋型與原邊反饋控制型。

a） . 充電信息反饋型，依賴Wi-Fi、Bluetooth與ZigBee等無線通信方式實時交互充電信息。通過PI控制器調節全橋逆變器的工作頻率實現恒壓/恒流充電，缺點在于系統工作頻率偏移諧振頻率時無功功率較大并且系統效率較低。

b）. 原邊參數估計型，僅依賴于原電氣參數估計充電和充電電壓，避免無線通信模塊存在的延時以及強磁環境下易受干擾的問題。根據發射線圈中諧振電流與補償電容端電壓之間關系估計充電電壓，采用PI控制器調節全橋逆變器的移相角度實現恒壓充電，缺點在于相位差測量精度影響充電電壓精度。

本文旨在拓展無線充電系統的多場合適應性，以不依賴于控制級無線通信實現充電控制作為切入點，提出基于雙邊LCC補償的無通信型原邊控制無線充電系統，并且深入地研究其電路拓撲和工作原理。

2. 電路拓撲與理論分析

2.1 電路拓撲

本文提出的基于雙邊LCC補償的無線充電系統電路拓撲如圖1所示。其中，發射端電路由直流電壓源（Ubus）、全橋逆變器（Q1～Q4）、LCC補償拓撲（Lp、Cp、L1、C1）組成;接收端電路由LCC補償拓撲（Ls、Cs、L2、C2）、整流橋（D1～D4）以及等效負載電阻（Ro）組成。同時，全橋逆變器的輸出電壓為us，流過Lp和L1的電流分別為ip和i1，M為磁耦合機構的互感值，流過Ls和L2的電流分別為is和i2，充電電流和充電電壓分別為Io和Uo。

2.2 理論分析

結合圖1所示雙邊LCC補償的互感模型，建立圖2所示等效解耦電路模型，據此推導原邊電氣參數與充電電流和充電電壓之間關系式。

由式（16）可知：kQ與磁耦合機構參數相關，并且設計初期應合理取值。發射線圈和接收線圈中諧振電流i1（t）和i2（t）的相位差φ12與諧振狀態相關并且取值范圍為0～π。kQ一定且φ12=90°時，傳輸效率ηmag最大。i1（t）和i2（t）的有效值I1_rms和I2_rms滿足式（14）時，ηmag最大。

3.2 電路仿真

PLECS仿真軟件中搭建的無線充電系統電路模型如圖5所示，主要包括三部分：主電路部分、充電電流/充電電壓預測部分以及雙閉環控制器部分。其中，基于PI的雙閉環控制實現了最終的恒流/恒壓充電。

結合圖5所示電路模型，恒流充電和恒壓充電的閉環仿真波形如圖6所示。可知：就恒流充電而言，等效負載電阻由13 Ω變到18 Ω時，采用PI控制器調節全橋逆變器的移相角度，全橋逆變器的輸出電壓us改變，實現3 A充電。就恒壓充電而言，等效負載電阻由30 Ω變到90 Ω時，采用PI控制器調節全橋逆變器的移相角度（即輸出電壓us），實現54.6 V充電。顯然，閉環仿真結果驗證了本文所提無通信型原邊控制方法的可行性與合理性。

4. 實驗驗證與結果分析

為驗證本文所提方法，做了圖7所示仿真。等效負載電阻Ro與移相角度α、系統效率η之間的實驗結果如圖8所示?？芍篟o變化時，動態調節α實現了恒流恒壓充電。

結論：針對無控制級雙邊通信且接收端結構緊湊化的需求，提出基于雙邊LCC補償的無通信型原邊控制無線充電系統，拓展其多場合適用性。建立基于原邊電氣參量的充電電流和充電電壓辨識模型，采用DD型磁耦合機構確保強抗偏移的基礎上，PI控制器實現負載變化時恒流/恒壓充電。最后，仿真和實驗結果均驗證所提方法的可行性。

參考文獻

[1] Kurs， A. Karalis， R. Moffatt， et al. Wirelss Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance [J]. Science， 2007， 317（5834）： 83-86.

[2] A. Karalis， J. D. Joannopoulos， M. Soljacic. Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy Transfer [J]. Annals of Physics， 2008， 3123（1）： 34-48.

[3] 張獻， 楊慶新， 陳海燕， 等. 電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的建模、設計與實驗驗證 [J]. 中國電機工程學報， 2012， 32（21）：153-158.

[4] 趙金萍. 高效率電動汽車無線充電系統的研究與設計[D]. 天津工業大學碩士學位論文， 2017.

[5] 施松. 電動車無線供電系統拾取裝置的設計[D].重慶大學碩士學位論文， 2013.