基于雙邊LCL與LCC混合補償的電動汽車恒流恒壓無線充電系統的研究

紀鑫哲 周琬善 劉久付 潘生云 孔 放

基于雙邊LCL與LCC混合補償的電動汽車恒流恒壓無線充電系統的研究

紀鑫哲 周琬善 劉久付 潘生云 孔 放

（河海大學能源與電氣學院，南京 211100）

為延長無線充電汽車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，本文從電路的本質屬性出發，分析了雙邊LCC恒流輸出和雙邊LCL恒壓輸出特性，研究了對電池恒流恒壓充電的方法，并且設計了在切換狀態后，可以保持輸出電流和電壓處在同一個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，給出了一套可以實現雙邊LCC恒流輸出和雙邊LCL恒壓輸出功能的參數，同時研究了本方案的傳輸功率和傳輸效率。

無線充電；雙邊LCL；雙邊LCC；恒壓恒流

0 引言

近年來，電動汽車具有的清潔、節能、無污染等特點使其較傳統能源汽車而言優勢明顯。因此大力發展使用電動汽車，可以加快替代傳統能源汽車，減少汽車的尾氣排放，防止大氣污染。然而，目前電動汽車的主要充電方式類似于特斯拉的有線接觸充電，具有充電設備容易老化、充電人員有觸電的危險、不便使用等缺點[1]，而且由于受到電池容量的限制，電動汽車的續航里程短，無法滿足人們的需求。隨著無線充電技術的興起，基于磁共振的電動汽車無線充電技術受到越來越多的關注[2]。相比于有線充電，無線充電操作方便，便于維護，安裝于十字路口等場合，可以有效提高電動汽車的里程數；同時，與電耦合式相比，磁耦合對人體影響 小[3]，所以磁耦合式的無線充電方式是當下市場主流。1997年，奧克蘭大學與康穩公司合作開發了全球第一輛無線充電大巴[4]。韓國高鐵研究院的研究成果實現了在軌道交通中無線充電距離為5cm的條件下充電效率達到82.7%[5]。2017年，高通公司在法國實現了一輛小型電動箱式貨車行進過程中的無線充電，充電功率20kW[6]。國內的多個研究機構及大學對磁共振無線充電應用的研究也取得了可觀的成果。國內的東南大學設計了次級DC-DC穩壓電路滿足電動汽車無線電能傳輸（wireless power transfer, WPT）系統恒壓充電的要求[7]；2016年廣西電力科學院建設了一條長33m的無線充電路段，實現了30kW的功率充電[8]。2018年，中國電科院在河北省張北縣建成了一條百米級的無線充電路段，可以實現電動汽車的移動充電，且在20kW功率充電條件下，效率可達81%[9]。這些理論和工程研究都對WPT系統在電動汽車中的應用具有指導意義。雖然無線充電的電動汽車研究在國家政策和社會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。

電容在補償網絡結構中有SS、SP、PP、PS 4種基本結構，其中S和P分別表示電容在電路中的串聯和并聯。然而，這4種基本補償網絡受負載影響較大，在輕載時，功率傳輸效率會大幅下降[10]。為了減少電池充電時間同時延長電池使用壽命，防止恒流充電導致過充，恒壓充電電池欠電壓等影響，對于車載電池采用先恒流充電，一段時間后再對其進行恒壓充電。文獻[11]設計了基于LCL-LC/LCL混合補償的電路結構，推導不同數學模型以及負載特性，分析了效率、電流/電壓增益與負載電阻的關系。文獻[12]搭建了一套實驗平臺，實現了線圈距離在20cm條件下，輸出功率為1kW，傳輸效率為92%的成果。文獻[13]利用二端口網絡對雙LCL建立模型，給出了一套效率可觀的參數配置，可以實現給電池先恒流充電再恒壓充電的目的。本文系統地對雙邊高階補償網絡LCC和LCL的結構進行理論分析，研究其應用在無線充電中恒壓恒流的輸出特性及其在電動汽車中的應用。

1 諧振網絡雙邊LCC與雙邊LCL切換實現恒壓恒流輸出的原理分析

本節從電路角度研究不受負載影響的恒流恒壓原理并作推導。系統去耦等效電路如圖1所示。

圖1 系統去耦等效電路

1.1 恒流雙邊LCC原理分析

開關S1、S2斷開時是雙邊LCC狀態，設電壓源電壓為s，此時滿足

消除中間變量且電路諧振有

聯立代入有

1.2 恒壓雙邊LCL原理分析

開關S1、S2閉合時是雙邊LCC狀態，設電壓源電壓為s。LCL補償電路與雙邊LCC共用一套電路結構，故參數一致，且切換時諧振頻率不應該改變。因此在滿足式（1）—式（3）的條件下還滿足

聯立式（6）—式（8）得

若

則輸出恒定電壓

在實現恒流恒壓輸出的前提下，還要保證在切換過程中充電電流的穩定性，所以有

綜上所述，只要電路拓撲結構滿足式（3）、式（4）和式（10）與式（12）即可在實現恒壓恒流輸出的前提下切換開關，保證系統在諧振時諧振頻率不變，充電電流穩定。

2 雙邊LCC向雙邊LCL補償切換方案

根據電池充電的機理，即先進行恒流充電在電池達到額定的控制電壓后改用恒壓充電，因此需要先測定電池電壓，再通過單片機最小系統以雙邊通信的方式控制開關（繼電器）的閉合與斷開。設計電路如圖2所示。

圖2 高階補償電路切換方案設計

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AD模塊采樣接口，由于無線充電電壓較高，為了滿足單片機的AD值采樣范圍，需要滿足1遠大于2。

設電池切換電壓為M，電池電壓為m，P2口處電壓為2，則滿足關系如下

當m=M時，二次側單片機最小系統通過紅外發射器向一次側紅外發射信號，一次側接收信號后和二次側一起控制繼電器閉合，雙邊LCC切換成雙邊LCL。根據前面推導，切換后，充電頻率不會跳變。

3 仿真驗證

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

圖3 總體電路結構

圖4 LCC補償結構電源輸出功率

圖5 LCC補償結構電源輸出電壓

圖6 LCC補償結構電源輸出電流

圖7 LCC補償結構充電功率

圖8 LCC補償結構充電電壓

圖9 LCC補償結構充電電流

圖10 LCC補償結構恒流驗證

圖11 LCL補償結構電源輸出功率

圖12 LCL補償結構電源輸出電壓

圖13 LCL補償結構電源輸出電流

圖14 LCL補償結構充電功率

圖15 LCL補償結構充電電壓

圖16 LCL補償結構充電電流

圖17 LCL補償結構恒壓驗證

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為二次側的參數情況，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，計算可得LCC恒流充電的效率高達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，電源輸出功率變為487W；圖14—圖16為LCL充電的二次側參數情況，可以測得二次側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97.1%。

圖10和圖17是選取不同負載（以20W和50W為例）分別驗證了雙邊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，兩個圖中的兩條曲線完全重合，很好地驗證了前面推導。在LCC切換到LCL狀態后，充電功率明顯下降，說明恒流充電比恒壓充電的速度要快，符合電池充電模型。

在實際模型中，線路中存在導線損耗、漏磁通等功率損耗，但預計實際充電效率仍然可以達到95%左右，高于目前普遍對電動汽車無線充電研究的90%，同時避免了傳統充電方式雙邊諧振頻率會發生跳變、產生諧波、影響充電質量的問題。在LCC切換成LCL之后，電流和電壓雖然發生跳變，但仍然符合實際電池充電過程模型。

4 結論

本文對電動汽車無線充電的充電結構進行了研究，提出了一種基于雙邊LCC和雙邊LCL切換的恒流恒壓充電結構設計。在運用該結構進行充電時，電壓/電流滿足相關電動汽車無線充電技術規范。在充電過程中，只需要切換一次開關即可實現目的。同時，在切換后，充電頻率不發生跳變，使得充電過程具有平穩性。從電路結構和充電效率來看，為今后電動汽車無線充電提供了一種高效、實用的充電方式，具有十分廣闊的應用前景。

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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

紀鑫哲（2000—），男，吉林省松原市人，本科，研究方向為電力系統及其自動化。