電動汽車無線充電系統(tǒng)恒流/恒壓輸出與抗偏移磁能耦合機構(gòu)研究

摘要：在電動汽車無線充電系統(tǒng)中，負載鋰電池的充電過程為先恒流再恒壓，因此，無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）系統(tǒng)需要同時具備實現(xiàn)雙輸出的能力，且在雙輸出狀態(tài)之間進行平穩(wěn)切換。基于此，分析雙邊LCC（inductor-capacitor-capacitor）拓撲實現(xiàn)與負載無關(guān)的恒流/恒壓輸出條件，給出參數(shù)設(shè)計方法。針對系統(tǒng)可能會隨機在不同方向上出現(xiàn)位移的情況，采用了雙向同軸平面線圈的結(jié)構(gòu)，即原邊線圈由內(nèi)外2 個沿相反方向繞制的線圈串聯(lián)組成。通過仿真和實驗驗證了本文提出的電動汽車無線充電系統(tǒng)具備同時實現(xiàn)恒流/恒壓輸出的能力，且在多方向偏移工況下實現(xiàn)穩(wěn)定輸出。

關(guān)鍵詞：電動汽車；恒流/恒壓輸出；耦合機構(gòu)；抗偏移；移相控制

中圖分類號：TM724 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2024）08-065-16

無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT） 是以空間介質(zhì)為載體，實現(xiàn)電能從輸入電源到用電負載非接觸式傳遞的技術(shù)，取代利用輸電線纜從電源對負載進行供電。它實現(xiàn)了輸入電源和用電負載的物理隔離，避免電線短路漏電造成事故風險，具有不受線纜束縛、沒有電火花、移動能力強的優(yōu)點[1]。在諸多傳能介質(zhì)中以磁場為媒介的磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)（magnetically coupled wireless power transfer，MC-WPT）以傳輸功率大、距離遠、抗偏移能力強而廣泛應(yīng)用[2]。

隨著全球化石能源危機以及“碳達峰”“碳中和”政策的提出，電動汽車為代表的新能源交通工具獲得廣泛使用。目前的電動汽車普遍采用有線充電方式，但這種充電方法需要有人值守且存在安全隱患，不利于電動汽車行業(yè)的發(fā)展和普及。因此，研究電動汽車的無線充電技術(shù)顯得很有必要。

目前，電動汽車普遍采用鋰電池作為儲能材料。鋰電池的充電過程分為“恒流”和“恒壓”2 個階段。因此，需要研究對應(yīng)的補償拓撲和控制方法以實現(xiàn)2 種充電方式之間的平穩(wěn)切換。文獻[3]通過改變原邊輸入電壓Vin和高頻逆變器的工作頻率f 實現(xiàn)恒流/恒壓的充電過程。文獻[4]將有源整流和調(diào)頻控制相結(jié)合，通過移相全橋占空比和移相角聯(lián)合控制實現(xiàn)不同負載和互感下的軟開關(guān)。文獻[5?6]利用拓撲切換實現(xiàn)恒流和恒壓狀態(tài)的過渡。通過將2 個MOSFET 串聯(lián)形成雙向?qū)ㄩ_關(guān)，在拓撲中加入多個雙向開關(guān)利用其不同的通斷組合形成不同形式的拓撲，達到控制輸出狀態(tài)切換的目的。文獻[7?8]在副邊串聯(lián)可變電容，通過改變與電容并聯(lián)的2 個開關(guān)管導通占空比實現(xiàn)對電容等效阻值的調(diào)節(jié)，基于此方法實現(xiàn)對無功功率的補償。文獻[9?10]采用脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，PFM）方法，在補償拓撲的感性區(qū)間頻率范圍內(nèi)連續(xù)改變工作頻率實現(xiàn)先恒流再恒壓的輸出曲線。此外，當電動汽車停車時難免存在能量發(fā)射線圈與接收線圈未完全對準的情況，需要對耦合機構(gòu)進行研究。針對線圈偏移帶來耦合系數(shù)降低的問題，文獻[11?12]提出多線圈的設(shè)計結(jié)構(gòu)來增強系統(tǒng)對偏移的容忍能力，在偏移工況下調(diào)節(jié)不同線圈的能量注入來調(diào)節(jié)負載電能輸出。文獻[13]通過在原邊和副邊采用并聯(lián)方式將LCC-LCC 和SS 組合成混合型補償拓撲，充分利用2 個補償回路的耦合系數(shù)互補特性實現(xiàn)原、副邊發(fā)生偏移時整體耦合系數(shù)維持穩(wěn)定。文獻[14]則是將LCC-S 和S-LCC 分別在原邊并聯(lián)、副邊串聯(lián)組成混合拓撲。這種方法適用于多發(fā)射線圈的復雜結(jié)構(gòu)，帶來的設(shè)計難度較大且各種拓撲需要具備相同的恒壓或恒流輸出特性。文獻[15?17]中發(fā)射端則采用陣列式線圈的設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過輔以檢測或定位裝置將對應(yīng)的激勵線圈通電實現(xiàn)能量的無線傳遞。這種方法需要得到接收端線圈的具體位置，對定位檢測的精度要求高，往往需要配合高精度的定位傳感器，無形中造成系統(tǒng)設(shè)計難度和硬件成本大幅上升。

基于前述研究，筆者分析了雙邊LCC 諧振拓撲恒流/恒壓輸出的物理機理和零相角（zero phase angle，ZPA）實現(xiàn)條件，提出拓撲參數(shù)設(shè)計方法。為增強系統(tǒng)的抗偏移能力，原邊發(fā)射線圈采用雙向同軸平面線圈結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)和各項參數(shù)進行優(yōu)化。

1 雙邊LCC 拓撲恒流恒壓輸出研究

MC-WPT 系統(tǒng)常用補償拓撲包括SS、SP、PS、PP 4 類，但這些拓撲往往只能實現(xiàn)恒流或恒壓中的1 種，無法滿足如圖1 所示的鋰電池先恒流再恒壓的要求。因此，從雙邊LCC 拓撲本身的機理出發(fā)，研究補償網(wǎng)絡(luò)的諧振條件，從實現(xiàn)多種狀態(tài)輸出角度出發(fā)提出拓撲的參數(shù)設(shè)計流程。