不同補償拓撲結構下電動汽車無線充電系統傳輸特性對比

耿琪琛，劉坤，程少宇，田子涵，康錦萍，趙海森

不同補償拓撲結構下電動汽車無線充電系統傳輸特性對比

耿琪琛，劉坤，程少宇，田子涵，康錦萍，趙海森

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102200）

無線電能傳輸系統（WPTS）的核心器件為耦合變壓器，其原、副邊線圈間的氣隙會產生漏感和激磁電感，從而降低輸出功率和傳輸效率。為了補償漏感和激磁電感，WPTS需要添加補償網絡。根據原、副邊補償方式不同，有SS（series-series）型、雙邊LCL型和雙邊LCC型補償拓撲。針對這3種典型的補償拓撲，通過MATLAB/SIMULINK仿真，分析其傳輸特性，并分析了其在抗偏移方面的性能。結果發現SS型補償拓撲適用于高功率工作環境，但在某些特殊工況中存在較大安全隱患；LCL型補償拓撲魯棒性較好，但不適于大功率系統；LCC型補償拓撲在保持較好魯棒性的同時，傳輸功率有明顯提高。搭建實驗平臺對SS型補償拓撲的傳輸特性進行驗證，發現當磁耦合器不發生偏移時，傳輸功率可達3 kW以上，當耦合器線圈偏移到200 mm時，傳輸功率高達6 kW。

無線電能傳輸系統；補償拓撲結構；輸出功率；抗偏移性能；傳輸特性

0 引言

隨著電動汽車技術的快速發展，電動汽車的無線充電問題逐漸受到人們的關注。無線電能傳輸（WPT）為電動設備的能量獲取提供了全新的解決途徑[1-5]。電動汽車的無線充電技術以電磁場為傳輸電能的途徑，由原邊的高頻逆變交流電源提供電能，利用耦合變壓器，磁場耦合到副邊線圈，再將電能傳輸到負載上，從而實現電能的無線傳輸。該技術具有安全環保、可靠智能、能適應惡劣環境等特點。

無線充電系統中的耦合器屬于松耦合器，為減小系統無功和提升傳輸效率，需要加入諧振拓撲網絡[1]。文獻[2]介紹了SS型、SP型、PS型、PP型4種基本補償拓撲，并對4種基本補償拓撲進行分析，得出SS型為最優補償拓撲。文獻[3]提出了一種基于雙LCL復合諧振網絡的無線充電方法，并通過仿真和實驗驗證了雙LCL諧振式無線電能傳輸系統在電動汽車蓄電池充電方面的可操作性。文獻[4]通過量化參數比較了DS-LCL、LCL-LCC等補償拓撲，并提出了一種LCC-LCL型補償拓撲，在系統效率上有較大提升。文獻[5]提出了一種新型雙側LCC補償結構的諧振變換器拓撲。文獻[6]設計了一臺3.3 kW的基于雙LCC諧振補償電路的變換器，仿真和實驗驗證了針對諧振補償電路特性的分析及優化方法的正確性。文獻[7]針對雙向電動汽車無線充電系統，對3種諧振拓撲深入研究，從參數變化與系統故障的魯棒性、特定工況下的最大傳輸功率以及諧振電容電壓等方面進行了對比分析。文獻[8]提出了一種雙LCL變補償參數的磁耦合諧振式無線充電系統，對部分補償元件進行投切操作可以實現恒流和恒壓充電。文獻[9]提出了基于MERS的LCL諧振型無線電能傳輸系統。該系統僅通過改變MERS的導通角即可實現恒流、恒壓、最大功率3種輸出模式。文獻[10]采用二端口網絡分析法對集成式LCC補償拓撲進行建模和分析，得出不同負載情況下，系統輸出電流和輸入電壓的增益、輸入阻抗實部、系統效率曲線，提出了諧振元件參數優化的方法，并搭建了集成式LCC補償拓撲的WPT系統樣機。文獻[11]設計了一種基于LCL-LC/LCL混合補償的無線充電系統，并實驗驗證了不同負載之間可以獨立工作并且能夠實現變負載情況下的恒流或者恒壓輸出。文獻[12]提出了一種雙邊LCC補償網絡及其調諧方法，并設計和制作了一臺7.7 kW樣機，測量效率達96%。文獻[13]介紹了目前常用補償電路的一些特點，如恒壓或恒流輸出、輸入，ZPA的實現以及軟開關等，對不同的諧振電路進行了系統效率分析，并對具有漏感補償和自感補償的SS型拓撲進行了研究。文獻[14]綜合比較了SS型和LCC-S型兩種拓撲在相同條件下的特性，包括零相角頻率和負載變化對傳輸特性的影響。

本文分析SS型、LCL型、LCC型3種補償拓撲結構的輸入、輸出電流，原、副邊電流，傳輸功率與互感、負載電阻之間的關系，并通過MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真驗證，對3種補償拓撲進行對比分析，得到各補償拓撲結構的優缺點。

1 典型補償拓撲

WPT系統的磁耦合器漏感大、激磁電感小，降低了耦合器線圈間的功率傳輸能力。所以，WPT系統通常在原、副邊添加諧振補償拓撲，以提高系統的傳輸效率。典型的補償拓撲有SS型、LCL型和LCC型3種，其等效電路如圖1所示。

圖1 典型的3種補償拓撲結構

圖中，in是高頻電壓源；為耦合器兩線圈間的互感；p為原邊線圈的自感，s為副邊線圈的自感；1為原邊線圈補償電感；2為副邊線圈補償電感；1為原邊線圈諧振補償電容；2為副邊線圈諧振補償電容；L為等效負載電阻；in是輸入電流，o是流經等效負載上的電流，p和s分別為流經原邊和副邊線圈上的電流。

2 補償拓撲數學模型分析

2.1 SS型補償拓撲的數學模型

SS型補償拓撲是傳統補償方式中應用最為廣泛的方式。SS型補償拓撲的互感等效電路模型如圖2所示。

圖2 SS型補償拓撲的互感等效模型

當系統完全諧振時，諧振頻率：

由基爾霍夫定律，列原、副邊KVL方程：

進一步解得原、副邊電流為：

由式（3）可知，當系統完全諧振時：

圖3 SS諧振相量圖

2.2 LCL型補償拓撲的數學模型

LCL型補償拓撲電路的互感等效電路模型如圖4所示。

圖4 LCL型補償拓撲的互感等效模型

LCL型諧振補償拓撲在結構上相當于在并聯諧振結構上增加了補償電感1和2，且使1=p，2=s，則系統發生諧振。在系統完全諧振情況下：

根據基爾霍夫定律，分別列寫原、副邊KVL方程：

將式（5）帶入式（6），化簡得：

由式（7）可知，當系統完全諧振時：

圖5 LCL諧振相量圖

2.3 LCC型補償拓撲的數學模型

LCC補償拓撲結構來源于LCL結構，LCC型補償拓撲電路的互感等效電路模型如圖6所示。

圖6 LCC型補償拓撲的互感等效模型

LCC型補償諧振拓撲的結構來源于LCL型拓撲，結構上增加了電容1和2，系統諧振條件為：

由基爾霍夫定律同樣可以得到：

由式（10）可知，當系統完全諧振時：

圖7 LCC諧振相量圖

3 仿真分析

3.1 輸入電流、輸出電流及線圈電流分析

從式（3）（7）（10）可知，當系統激勵電源、線圈參數、諧振頻率、補償參數確定后，電流主要受互感和負載電阻L影響。利用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真，得到各支路電流隨互感和負載電阻L的變化趨勢。文獻[15]中提出了最優耦合系數區間的概念，根據式（12）得到最優耦合系數區間對應的互感系數區間。

仿真時取諧振頻率為85?kHz，線圈參數中原邊線圈自感取300?μH，副邊線圈自感取300?μH，最優耦合系數對應的互感系數區間取30?μH～68?μH。蓄電池充電過程中，電池內阻隨充電過程降低。《電動汽車用電池管理系統技術條件》中規定，電池耐溫范圍負載電阻變化范圍為–40 ℃～85 ℃。負載電阻取10?Ω～80?Ω進行仿真。

圖8的仿真結果給出了3種補償拓撲結構的各支路電流隨負載電阻和互感的變化趨勢。仿真過程中，互感的變化模擬磁耦合器線圈的偏移過程，互感值越大代表磁耦合器線圈間的耦合度越高，互感值越小則表示模擬線圈偏移的距離越遠。從圖8的仿真結果可知：當互感值減小（即偏移距離增大），SS補償拓撲結構的原邊電流顯著上升，易出現過流情況；而LCL型補償拓撲結構的各支路電流值受互感影響較小，系統情況穩固；LCC型補償拓撲結構除原邊線圈支路外，其他支路電流則表現出減小的趨勢，系統更加穩固。

圖8 輸入電流、輸出電流和線圈電流隨負載和互感變化

3.2 傳輸功率分析

從式（4）（8）（11）可知，當系統激勵電源、線圈參數、諧振頻率、補償參數確定后，影響傳輸功率的主要因素是互感和負載電阻L，如圖9所示。

圖9 傳輸功率對比

圖9所示為3種補償拓撲的傳輸功率隨負載電阻和互感的變化趨勢。由結果可知，SS型補償拓撲傳輸功率較高，但LCL與LCC型補償拓撲結構在互感明顯變化（即偏移距離變化明顯）過程中系統更穩固，且LCC型補償拓撲結構的傳輸功率較LCL型有明顯提高。

3.3 對比分析

為了更加直觀地觀察3種補償拓撲的傳輸特點，將上述分析結果對比。表1列出了3種補償拓撲的各參數隨負載電阻的變化，表2列出了各參數隨互感的變化。

由表1可知，隨著充電過程中負載電阻的減小，不同補償拓撲的各項電流參數和傳輸功率變化如下：

表1 各參數隨負載電阻變化

表2 各參數隨互感變化

（1）SS型補償拓撲的副邊線圈電流維持不變，而原邊線圈電流隨之減小。考慮極限情況，若充電過程中突發故障致使汽車端（副邊）短路，則原邊線圈電流將降低為零，不會出現危險工況。

（2）LCL型補償拓撲的原邊線圈電流和流經負載電阻的輸出電流維持不變，而原邊線圈電流和輸入電流隨之減小。極端情況下，若副邊突發短路，尚屬于安全狀況。結合圖9，LCL型補償結構的傳輸功率偏低，在大功率無線充電應用中不及SS型補償拓撲。

（3）LCC型補償拓撲在繼承了LCL的傳輸特點的同時，傳輸功率也明顯優于LCL型。

電動汽車充電時，汽車的停車位置非正對或汽車底盤變高都會降低充電線圈間的互感，從而影響充電過程的電流和傳輸功率。由表2可知，當互感降低，不同補償拓撲各支路電流參數和傳輸功率變化如下：

（1）SS型補償拓撲的線圈電流隨之升高，考慮極限情況，若充電過程中出現汽車端（副邊）突發故障致使副邊電流消失，則易出現原邊線圈過流。

（2）LCL型補償拓撲的原邊線圈電流維持不變，因為其值只與激勵電源有關。極限情況下，若汽車端故障致使副邊電流消失，原邊線圈不會過流，所以LCL型補償拓撲在互感降低情況下比SS型補償拓撲具有更好的魯棒性。

（3）LCC型補償拓撲結構來源于LCL結構，所以也具備了互感降低情況下的優勢。結合圖9可知，在線圈參數、激勵電壓、諧振頻率、互感系數都相同的情況下，LCC型補償拓撲的傳輸功率明顯高于LCL型補償拓撲。

4 實驗驗證

為驗證前述理論分析和仿真的正確性，以SS型補償拓撲模型為例，搭建實驗平臺。實驗平臺由直流電源、原邊補償電容、磁耦合器線圈、副邊補償電容、整流電路等組成，直流電源內包括整流模塊和逆變模塊。實驗系統的具體參數如表3所示。實驗時，磁耦合器兩線圈間距為200?mm，線圈正對時的磁耦合系數=0.25。

表3 實驗參數表

使用SS型補償拓撲的WPT系統在不同互感和不同負載時的原副邊電流和傳輸功率如圖10和圖11所示。可以看出，當偏移距離減小即互感增大時，原副邊電流減小，傳輸功率也減小；當負載電阻增大時，原邊電流隨之增大而副邊電流基本不變，傳輸功率也隨之增加。這一實驗結果與理論分析和仿真得到的規律一致，所述規律和不同補償拓撲結構的傳輸特性得到驗證。

圖10 原副邊電流在不同偏移距離和不同負載下變化趨勢

圖11 不同偏移距離和不同負載下功率變化

5 結論

針對SS、LCL、LCC 3種補償拓撲結構，分析了負載變化和互感變化時系統電流和傳輸功率方面的特性，結論如下：

（1）SS型補償拓撲在相同的耦合器參數下，能夠在偏移情況下保持高功率，適用于高功率工作環境；LCL型補償拓撲在相同耦合器參數下輸出功率較低，但在某些突發狀況下魯棒性更好；LCC型補償拓撲來源于LCL型補償拓撲，保留了特殊工況下具有較好的魯棒性這一優點的同時，相同耦合器參數下輸出功率和傳輸效率有顯著提高。

（2）考慮實際應用：SS型補償拓撲結構簡單，但是當副邊電路發生斷路時，易發生原邊線路過流，導致意外發生；LCL型補償拓撲要求感抗大小與耦合器線圈相同，導致補償電感尺寸很大，增加了成本和系統空間；LCC補償拓撲是在LCL結構上再附加電容形成的，但結構尺寸小，發展潛力較大。

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Comparison of Transmission Characteristics of Electric Vehicles Wireless Charging System under Different Compensation Topologies

GENG Qichen, LIU Kun, CHENG Shaoyu, TIAN Zihan, KANG Jinping, ZHAO Haisen

(School of Electrical and Elrctric Engineering North China Electric Power University, Beijing 102200, China)

The core device of WPTS is a coupling transformer. The air gap between the primary and secondary coils will produce leakage inductance and magnetizing inductance, which reduces the output power and transmission efficiency. To compensate for leakage inductance and magnetizing inductance, a compensation network is needed. According to the different compensation methods of the primary and secondary side, the typical compensation topologies are SS (series-series) type, bilateral LCL type (hereinafter referred to as LCL type) and bilateral LCC type (hereinafter referred to as LCC type) compensation. In this paper, for these three typical compensation topologies, through MATLAB/SIMULINK simulation, their transmission characteristics were analyzed,and their anti-offset performance was analyzed. The results show that the SS-type compensation topology is suitable for high-frequency operating environment. However, there is great hidden danger in some special conditions. The LCL-type compensation topology is more robust but not suitable for high power systems, The LCC-type compensation topology maintains better robustness, and the transmission power is also significantly improved.In this paper, an experimental platform is built to verify the transmission characteristics of the SS-type compensation topology. When the coupler coil is not offset, the transmission power can reach more than 3 kW, and when the coupler coil is offset to 200 mm, the transmission power is as high as 6 kW.

WPT system; compensation topology structure; output power; anti-offset performance; transmission characteristics

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.09.003

TM724

A

1672-0792(2021)09-0018-08

2021-06-24

耿琪琛（1995—），女，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

劉 坤（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

程少宇（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

田子涵（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

康錦萍（1975—），女，副教授，主要研究方向為交流電機非線性模型及參數研究、無線電能傳輸等；

趙海森（1982—），男，副教授，主要研究方向為高效低振動電機理論研究與設計、電機系統節能及無線電能傳輸等。