國玉剛，李超群，崔納新

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

基于LCL-S型ICPT系統(tǒng)的恒流輸出分析與控制

國玉剛，李超群，崔納新

（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

針對電動汽車無線充電的需求，提出了一種兼顧調(diào)控效果與傳輸效率的恒流控制方法。針對LCL-S型的磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)建立模型，對其進(jìn)行工作特性分析，進(jìn)而根據(jù)副邊電流輸出特性及傳輸效率特性曲線確定了系統(tǒng)高效運(yùn)行的頻率區(qū)間，將此區(qū)間作為系統(tǒng)恒流工作的調(diào)頻區(qū)。并對比各種功率控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出了變頻控制與移相調(diào)壓相結(jié)合的恒流控制策略。實(shí)驗(yàn)設(shè)計了PI閉環(huán)控制程序，驗(yàn)證了負(fù)載變化時的恒流控制效果。實(shí)驗(yàn)表明該控制策略基本實(shí)現(xiàn)了無靜差、無超調(diào)的快速響應(yīng)控制。

無線電能傳輸；ICPT系統(tǒng)；LCL補(bǔ)償；恒流控制

為解決環(huán)境污染以及傳統(tǒng)能源不斷減少等問題，新能源產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生并快速發(fā)展，尤其以混合動力汽車和純電動汽車HEV/EV（hybrid electric vehicle/electric vehicle）產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為迅速。作為電動汽車的動力來源，電動汽車充電技術(shù)在不斷取得新的突破［1］。無線電能傳輸WPT（wireless power transfer）技術(shù)通過原邊和副邊線圈之間的耦合磁場或原邊副邊電板間的電場，以無接觸的方式實(shí)現(xiàn)電能從電源傳輸?shù)截?fù)載設(shè)備［2-5］，即磁場耦合電能傳輸ICPT（inductively coupled power transfer）和電場耦合電能傳輸ECPT（electric coupled power transfer）。由于電源和設(shè)備之間不存在直接的電氣接觸，WPT系統(tǒng)具有環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、安全、便捷、占地少等特點(diǎn)，極大地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有線充電的缺點(diǎn)。

目前針對電動汽車用ICPT技術(shù)，國內(nèi)外已有較多的研究成果。文獻(xiàn)［6-8］對不同拓?fù)銲CPT系統(tǒng)的建模、諧振補(bǔ)償、參數(shù)配置等方面進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化；文獻(xiàn)［9-10］以ICPT系統(tǒng)副邊輸出電壓進(jìn)行恒壓輸出、提高負(fù)載適應(yīng)性為目標(biāo)，提出了變頻、移相調(diào)壓等控制策略，此外還可以在副邊側(cè)根據(jù)負(fù)載要求選擇不同的后級功率變換拓?fù)溥M(jìn)行控制，而不需要副邊到原邊的反饋回路［11］。但針對電動汽車動力電池?zé)o線充電的研究較少，對電動汽車恒壓恒流充電的控制研究略有不足。

本文基于LCL-S型ICPT系統(tǒng)，通過建立模型，分析負(fù)載適應(yīng)性。根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)而提出副邊恒流輸出的控制思想，以適應(yīng)在動力電池恒流充電階段電池內(nèi)阻變化。

1 LCL-S型ICPT系統(tǒng)建模及特性分析

1.1 LCL-S型ICPT系統(tǒng)建模

本文研究的基于LCL-S型ICPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，原邊采用LCL型諧振拓?fù)?，副邊采用傳統(tǒng)的LC串聯(lián)諧振拓?fù)?。Uin為全橋逆變器輸出電壓，通過LCL原邊諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電流Ip1；Us為副邊感應(yīng)電壓；Lp和 Ls分別為原邊一次側(cè)、副邊二次側(cè)線圈，二者組成松耦合變壓器；Cp為一次側(cè)補(bǔ)償電容，與Lp、Lp1組成LCL網(wǎng)絡(luò)；Ip和Is分別為流過原、副邊線圈的電流；R為負(fù)載端電阻。逆變器Q1-Q4將直流輸入轉(zhuǎn)換成高頻方波電壓，通過松耦合變壓器傳輸能量到二次側(cè)，即副邊線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓通過整流濾波環(huán)節(jié)后供給負(fù)載。

圖1 LCL-S型ICPT系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of LCL-S type ICPT system

根據(jù)上述系統(tǒng)的電路拓?fù)洌\(yùn)用交流阻抗分析法建立等效模型，如圖2所示。電感Lp1由銅絲繞在磁芯繞制而成。相比于松耦合變壓器線圈可獲得較大感量而內(nèi)阻很小，故為簡化分析忽略其內(nèi)阻和補(bǔ)償電容 Cp和 Cs的等效串聯(lián)電阻 ESR（equivalent series resistance）。此外電路中整流部分與負(fù)載電阻以等效電阻RL代替，等效電阻與原來的負(fù)載電阻成正比例關(guān)系［12］。Rp和Rs分別為松耦合變壓器原邊線圈內(nèi)阻和副邊線圈內(nèi)阻，M為兩線圈互感。

定義逆變器工作頻率為ω，則副邊電路阻抗為

則副邊在原邊產(chǎn)生的反映阻抗為

圖2 LCL-S型ICPT系統(tǒng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of LCL-S type ICPT system

此時，LCL-S傳輸網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗為

為提高傳輸效率減小損耗，須使逆變器輸出電壓和電流的相位相同，即使輸入阻抗的虛部為0。文獻(xiàn)［13］提出首先使考慮了反映阻抗的原邊輸入阻抗虛部為0，即達(dá)到諧振條件，使原邊零相角頻率與副邊固有頻率相等；然后根據(jù)指定的原邊線圈電流與逆變器輸出電流的放大倍數(shù)配置系統(tǒng)參數(shù)，得到較小的逆變器輸出電流，從而降低器件應(yīng)力與器件損耗，同時又能得到較大的原邊線圈電流。

本文探究系統(tǒng)特性影響因素，暫不考慮原邊逆變器輸出電流對原邊線圈電流的放大能力。故在滿足需要的前提下，省去繁雜的參數(shù)配置進(jìn)行特性分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。使用的諧振頻率為

此時副邊阻抗和反映阻抗分別為

將式（4）和式（5）代入式（3），得到輸入阻抗為

此時，系統(tǒng)輸入阻抗為純阻性負(fù)載，逆變器輸出電壓電流的相位差為0。逆變器可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通ZVS（zero voltage switch）。

當(dāng)達(dá)到諧振條件時，副邊輸出電流為

由式（7）可知，負(fù)載電流與逆變器輸出電壓、原邊電感、耦合系數(shù)、負(fù)載阻值有關(guān)。在諧振時，LCL-S型ICPT系統(tǒng)的電流增益表達(dá)式為

1.2 LCL-S型ICPT系統(tǒng)特性分析

定義負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Q=ω0Lp/RL，兩線圈的耦合系數(shù)為。本文以LCL-S型ICPT系統(tǒng)為例，根據(jù)美國汽車工程師協(xié)會 SAE （society of automotive engineers）2016年5月發(fā)布的電動汽車非接觸供電準(zhǔn)則提要J2964要求，設(shè)定頻率為85 kHz，頻帶為81.39～90 kHz，各元件參數(shù)如表1所示，且取耦合系數(shù)k=0.5。對此系統(tǒng)進(jìn)行特性分析，得到了不同品質(zhì)因數(shù)下的特性曲線。

表1 ICPT系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of ICPT system

圖3給出了Q變化時LCL-S型ICPT系統(tǒng)的電流增益曲線。從圖3可以看出，電流增益有2個峰值且偏離諧振點(diǎn)；當(dāng)Q變大時，峰值也隨之增大；但在85 kHz頻帶（81.39～90 kHz）電流增益基本與負(fù)載無關(guān)。圖4為Q變化時LCL-S型ICPT系統(tǒng)的輸出電流曲線。圖中顯示，輸出電流有兩個峰值，其中一個出現(xiàn)在諧振點(diǎn)處，且該峰值隨著Q值的增大而增大；在諧振頻率處，副邊輸出電流受品質(zhì)因數(shù)Q的影響，Q越大輸出電流越大。

圖3 不同Q時，LCL-S型ICPT系統(tǒng)電流增益曲線Fig.3 Current gain curves of the LCL-S type ICPT system with different Q

圖4 不同Q時，LCL-S型ICPT系統(tǒng)輸出電流曲線Fig.4 Output current curves of the LCL-S type ICPT system with different Q

在諧振時，系統(tǒng)傳輸效率表達(dá)式為

2 LCL-S型ICPT系統(tǒng)恒流控制策略

常見的ICPT系統(tǒng)輸出功率控制技術(shù)有變頻控制、移相調(diào)壓控制、副邊DC/DC控制、諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制等。這些控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中DC/DC控制精度高，調(diào)節(jié)范圍較寬，但效率低、體積大、成本高；諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償控制可獲得最大傳輸功率，但是系統(tǒng)體積大、精度低；調(diào)壓控制無需額外的硬件電路，但控制復(fù)雜，電壓波形容易畸變，增大電磁干擾EMI（electromagnetic interference）；變頻控制控制簡單，但非線性較強(qiáng)，調(diào)節(jié)范圍窄，影響傳輸效率［14］。

根據(jù)式（7）可知，諧振時副邊輸出電流由系統(tǒng)參數(shù)（耦合條件、原邊線圈）、逆變器輸出電壓和負(fù)載阻值決定。根據(jù)式（7）并結(jié)合系統(tǒng)特性分析可知，要控制負(fù)載電流穩(wěn)定輸出可以通過調(diào)整逆變器輸出電壓或改變逆變器工作頻率來實(shí)現(xiàn)。若以變頻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定，變頻的范圍要控制在大于諧振頻率的一側(cè)，使系統(tǒng)始終工作在感性區(qū)域，靠近軟開關(guān)狀態(tài)，減少器件的應(yīng)力；即對應(yīng)于圖4中的單調(diào)調(diào)頻區(qū)。不同Q時的系統(tǒng)傳輸效率曲線如圖5所示。結(jié)合效率曲線分析，在圖4的單調(diào)調(diào)頻區(qū)，系統(tǒng)傳輸效率會隨著頻率升高而快速降低，為此可以把調(diào)頻范圍限制在較高傳輸效率區(qū)間，如85～90 kHz窄頻帶。根據(jù)圖4曲線關(guān)系，假設(shè)Q為3.0，穩(wěn)定輸出電流1 A；當(dāng)負(fù)載Q由3.0變?yōu)?.0時瞬間輸出電流下降，此時在85～90 kHz調(diào)頻區(qū)間內(nèi)降頻調(diào)節(jié)；若調(diào)節(jié)至諧振點(diǎn)85 kHz，其對應(yīng)的最大輸出電流仍不能達(dá)到目標(biāo)值1 A，可進(jìn)而通過調(diào)節(jié)移相角增大逆變器輸出電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)。同樣，假設(shè)Q為1.0，穩(wěn)定輸出電流0.5 A；當(dāng)負(fù)載Q值由1.0變?yōu)?.0時瞬間輸出電流增大，此時在85～90 kHz調(diào)頻區(qū)間內(nèi)升頻調(diào)節(jié)；若調(diào)節(jié)至90 kHz，其對應(yīng)的輸出電流仍不能達(dá)到目標(biāo)值0.5 A，可進(jìn)而通過調(diào)節(jié)移相角減小逆變器輸出電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)控目標(biāo)。

根據(jù)以上分析，綜合調(diào)控效果與節(jié)能的思想，本文確定變頻控制與移相調(diào)壓相結(jié)合的控制策略。根據(jù)以上控制策略編寫系統(tǒng)程序，系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖6所示。

圖5 不同Q時，系統(tǒng)傳輸效率曲線Fig.5 System transmission efficiency curves with different Q

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.6 Software flow chart of the system

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文建模方法及控制策略的有效性，根據(jù)圖1原理并按照表1系統(tǒng)參數(shù)制作了基于LCL-S型的ICPT實(shí)驗(yàn)平臺，控制芯片采用STM32F103，控制算法采用實(shí)時性較高的PI控制?？刂破鲗Ω边呥M(jìn)行電流采樣送入微控制器MCU（micro controller unit）進(jìn)行PI控制運(yùn)算，進(jìn)而對系統(tǒng)工作頻率以及移相角度進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流輸出的控制目標(biāo)。

圖7 負(fù)載減小時LCL-S型ICPT系統(tǒng)電壓波形Fig.7 Voltage curve of the LCL-S type ICPT syste with load increasing

圖7和圖8分別是負(fù)載由100 Ω切換到66.6 Ω時的負(fù)載電壓調(diào)節(jié)曲線和負(fù)載電流波形。由圖可見，負(fù)載電壓由63.2 V變到42.4 V，根據(jù)歐姆定律，負(fù)載變化前后負(fù)載電流基本保持不變。切換過程中PI控制基本實(shí)現(xiàn)了無超調(diào)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間僅為36 ms。圖8顯示，在切換瞬間負(fù)載電流值突然增大，此過程符合第2.1節(jié)特性分析中的圖4曲線，負(fù)載減小，即Q突然增加時，負(fù)載電流增大，而控制策略作用后，負(fù)載電流被快速調(diào)節(jié)至穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電流輸出。

圖8 負(fù)載減小時LCL-S型ICPT系統(tǒng)電流波形Fig.8 Current curve of the LCL-S type ICPT syste with load increasing

圖9和圖10分別是負(fù)載由66.6 Ω切換到100 Ω時的負(fù)載電壓調(diào)節(jié)曲線和負(fù)載電流波形。由圖可見，負(fù)載電壓由43.1 V變到63.5 V，負(fù)載電流基本保持不變。切換過程中PI控制基本實(shí)現(xiàn)了無超調(diào)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時間僅為45 ms。圖10顯示，在切換瞬間負(fù)載電流突然減小，此過程也符合圖4所示曲線，負(fù)載增加即Q值突然減小時，負(fù)載電流減小，而控制策略作用后，負(fù)載電流被快速調(diào)節(jié)至穩(wěn)定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電流輸出。波形中存在一些毛刺，可能是由示波器探頭引入或系統(tǒng)雜散參數(shù)的干擾。

圖9 負(fù)載增加時LCL-S型ICPT系統(tǒng)電壓波形Fig.9 Voltage curve of the LCL-S type ICPT system with load decreasing

圖10 負(fù)載增加時LCL-S型ICPT系統(tǒng)電流波形Fig.10 Current curve of the LCL-S type ICPT system with load decreasing

4 結(jié)語

本文對基于LCL-S型ICPT的系統(tǒng)用交流阻抗分析法建立模型，并在此模型基礎(chǔ)上對此系統(tǒng)特性進(jìn)行分析。給出了副邊輸出電流增益及輸出電流的特性曲線，并結(jié)合系統(tǒng)效率曲線提出相應(yīng)的恒流控制策略；對已有控制策略進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，確定了適合本系統(tǒng)的控制方式，即以變頻為主移相調(diào)壓為輔的控制策略；運(yùn)用PI反饋進(jìn)行閉環(huán)控制并獲得了良好的效果。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性，基本實(shí)現(xiàn)了無靜差、無超調(diào)的快速響應(yīng)控制。該控制方法對于電動汽車動力電池充電過程中內(nèi)阻緩變的情況下維持恒流充電具有足夠的響應(yīng)速度。

［1］Bandyopadhyay S,Prasanth V,Bauer P,et al.Multi-objective optimisation of a 1-kW wireless IPT system for charging of electric vehicles［C］//IEEE Transportation Electrification Conference and Expo.,2016.

［2］Wang C S,Covic G A,Stielau O H.Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2004,51（1）:148-157.

［3］孫躍，夏晨陽，戴欣，等.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)互感耦合參數(shù)的分析與優(yōu)化［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，30（33）:44-50. Sun Yue,Xia Chenyang,Dai Xin,et al.Analysis and optimization of mutual inductance for inductively coupled power transfer system［J］.Proceeding of the CSEE,2010,30（33）: 44-50（in Chinese）.

［4］Kim D,Kim M,Yoo J,et al.Magnetic resonant wireless power transfer for propulsion of implantable micro-robot［J］.Journal of Applied Physics,2015,117（17）:7E-712E.

［5］Sato F,Nomoto T,Kano G,et al.A new contactless power-signal transmission device for implanted functional electrical stimulation（FES）［J］.IEEE Transactions on Magnetics, 2004,40（4）:2964-2966.

［6］孫躍,張歡,唐偉,等.LCL型ICPT系統(tǒng)電路拓?fù)浞治黾皡?shù)設(shè)計方法［J］.電源學(xué)報,2016,14（5）:1-6. Sun Yue,Zhang Huan,Tang Wei,et al.Topology analysis and parameter design methods of LCL type ICPT system［J］.Journal of Power Supply,2016,14（5）:1-6（in Chinese）.

［7］唐曉雯,姚鋼,姚長征,等.基于LCL補(bǔ)償?shù)姆墙佑|電能傳輸系統(tǒng)的研究［J］.電力電子技術(shù),2015,49（10）:7-10. Tang Xiaowen,Yao Gang,Yao Changzheng,et al.The contactless power transfer system based on LCL compensation［J］.Journal of Power Electronic Technology,2015,49（10）:7-10（in Chinese）.

［8］周繼昆,吳付崗.LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計［J］.電源技術(shù),2016,40（2）:427-429. Zhou Jikun,Wu Fugang.Design of LCL resonant type inductive power transfer system［J］.Chinese Journal of Power Sources,2016,40（2）:427-429（in Chinese）.

［9］陳希有,劉玉昆.具有穩(wěn)流輸出的無線電能傳輸電路［J］.電機(jī)與控制學(xué)報,2014,18（8）:30-35. Chen Xiyou,Liu Yukun.Wireless power transmission circuit with constant current output［J］.Electric Machines and Control,2014,18（8）:30-35（in Chinese）.

［10］趙志斌,孫躍,蘇玉剛,等.ICPT系統(tǒng)原邊恒壓控制及參數(shù)遺傳優(yōu)化［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,32（15）:170-176. Zhao Zhibin,Sun Yue,Su Yugang.et al.Primary side constant input voltage control and parameters optimization of ICPTsystemsbygeneticalgorithm［J］.ProceedingoftheCSEE, 2012,32（15）:170-176（inChinese）.

［11］鄒愛龍,王慧貞,華潔.基于LCL補(bǔ)償?shù)亩嘭?fù)載移動式感應(yīng)非接觸電能傳輸系統(tǒng)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報,2014,34（24）:4000-4006. Zhou Ailong,Wang Huizhen,Hua Jie.The movable ICPT system with multi-loads based on the LCL compensation circuit［J］.Proceeding of the CSEE,2014,34（24）:4000-4006（in Chinese）.

［12］Borage M,Tiwari S,Kotaiah S.Analysis and design of an LCL-T resonant converter as a constant-current power supply［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2005, 52（6）:1547-1554.

［13］劉闖,郭贏,葛樹昆,等.具備恒壓特性的SP/S感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報,2016,31（13）:149-154. Liu Chuang,Guo Ying,Ge Shukun.The SP/S inductive power transfer system with constant voltage characteristics［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2016, 31（13）:149-154（in Chinese）.

［14］廖承林,李均鋒,陶成軒,等.無線電能傳輸系統(tǒng)控制方法綜述［J］.電氣工程學(xué)報,2015,10（6）:1-6. Liao Chenglin,Li Junfeng,Tao Chengxuan,et al.A review on control methods for wireless power transfer system［J］. Journal of Electrical Engineering,2015,10（6）:1-6（in Chinese）.

Analysis and Control of Constant Output Current Based on LCL-S Type ICPT System

GUO Yugang,LI Chaoqun,CUI Naxin
（School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China）

In order to meet the practical demand of the wireless charging for electric vehicles,a constant current control method is proposed.The model of the magnetic coupling resonance inductively coupled power transfer（ICPT）system based on LCL-S type is established,and its operating characteristics are analyzed.Then,according to the output characteristic curve of the secondary current and the transmission efficiency characteristic curve,the frequency range of the system is determined.And this interval is used as the frequency modulation area of the system constant current operation.The advantages and disadvantages of various power control methods are compared.Furthermore,a constant current control strategy is proposed,which is the combination of variable frequency control and phase shifting voltage regulation.Control program of the PI feedback is designed.Through experiment,the constant current control effect is verified when the load is different.The experiment shows that the control strategy can realize the non static difference and the fast response control without overshoot.

wireless power transfer;inductively coupled power transfer（ICPT）system;LCL compensation circuit;constant output current control

國玉剛

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.109

TM 724

A

國玉剛（1991-），男，碩士研究生，研究方向：無線電能傳輸 ，E-mail：gyg12321 @sina.com。

2016-12-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61273097）

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（61273097）

李超群（1991-），男，碩士研究生，研究方向：無線電能傳輸，E-mail：dgdaqun @sina.com。

崔納新（1968-），女，通信作者，博士，教授，研究方向：變頻節(jié)能、電動汽車、電池管理系統(tǒng)，E-mail：cuinx@sdu.edu.cn。