作者/劉瓊、湯坤、田會峰，江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院

電動汽車恒壓恒流充電系統(tǒng)設(shè)計

作者/劉瓊、湯坤、田會峰，江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院

無線電能傳輸系統(tǒng)(WPT)不同的拓?fù)渚哂胁煌妮敵鲭妷?、輸出電流特性，本文提出了一種可切換諧振補償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)電動汽車恒流恒壓充電。對原、副邊線圈建立互感耦合模型，分析得出負(fù)載動態(tài)變化時可實現(xiàn)恒流恒壓輸出。撘建仿真模型和實驗平臺，驗證了電路分析的正確性。實驗驗證了當(dāng)補償拓?fù)錇長CL—S時，可實現(xiàn)電動汽車恒壓充電；當(dāng)補償拓?fù)錇長CL—P時，可實現(xiàn)電動汽車的恒流充電。

電動汽車；無線充電；恒壓恒流；策略

引言

無線電能傳輸技術(shù)是基于電磁場耦合技術(shù)，綜合了高頻變換技術(shù)、電力電子變化技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)，利用現(xiàn)代控制理論和方法，使能量從原邊到副邊隔空傳輸，其與傳統(tǒng)的有線充電方式相比具有供電安全靈活、可靠性高、無機械磨損以及無接觸損耗等優(yōu)點[1—2]。電動汽車充電策略有恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電等多種方式。恒流充電是充電過程中電流保持恒定的一種充電策略，容易造成蓄電池過充，縮短使用壽命。恒壓充電是充電過程中電壓保持不變的一種充電策略，該方法雖不會引起過充，但是會出現(xiàn)充電不足現(xiàn)象[3]。恒壓恒流充電綜合恒流充電和恒壓充電的優(yōu)點，不僅可以延長電池的使用壽命，而且可以實現(xiàn)對電池的充分充電。目前基于無線電能傳輸?shù)碾妱悠嚐o線充電策略多為恒流充電或者恒壓充電，本文提出了一種可切換補償拓?fù)鋵崿F(xiàn)電動汽車的恒流恒壓充電。當(dāng)系統(tǒng)補償拓?fù)錇長CL—P時，可實現(xiàn)恒流充電；當(dāng)系統(tǒng)補償拓?fù)錇長CL—S時，可實現(xiàn)恒壓充電。

1. LCL-S補償拓?fù)浜銐狠敵鲈?/h2>

電動汽車無線充電系統(tǒng)采用的LCL—S補償拓?fù)?，如圖1所示，圖中UAB是逆變器的輸出電壓，If是逆變器的輸出電流，Lf是補償電感，Lp是原邊線圈電感，Ip是原邊線圈流過的電流，Cp是原邊補償電容，Ls是副邊線圈電感，Cs是原邊補償電容，Is是副邊線圈流過的電流。

圖1 LCL—S補償拓?fù)潆娐穲D

對其建立互感等效模型，得到圖2所示，當(dāng)Lf= Lp 時原邊補償網(wǎng)絡(luò)可在固定角頻率0ω處諧振，因為Lf與Cp構(gòu)成并聯(lián)諧振，可得，當(dāng)副邊諧振網(wǎng)絡(luò)諧振時，可得URL=ω0MIp， 其中URL為負(fù)載兩端電壓。將Ip帶入求公式中，可得。由上述推到可知，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)確定后，系統(tǒng)輸出電壓恒定不變，與負(fù)載大小無關(guān)，可實現(xiàn)電動汽車恒壓充電。

圖2 LCL—S等效電路圖

2. LCL-P補償拓?fù)浜懔鬏敵鲈?/h2>

LCL—P補償拓?fù)潆娐穲D，如圖3所示，圖中UAB是逆變器的輸出電壓，If是逆變器的輸出電流，Lf是補償電感，Lp是原邊線圈電感，Ip是原邊線圈流過的電流，Cp是原邊補償電容，Ls是副邊線圈電感，Cs是原邊補償電容，Ic是系統(tǒng)輸出電流。對其建立互感等效模型，如圖4所示。

圖3 LCL—P補償拓?fù)潆娐穲D

圖4 LCL—P等效電路圖

3. 可切換補償拓?fù)浞治?/h2>

圖5 可切換拓?fù)涫疽鈭D

上述分析表明，當(dāng)系統(tǒng)諧振補償拓?fù)錇長CL—S時，系統(tǒng)可實現(xiàn)恒壓充電；諧振補償拓?fù)錇長CL—P時，系統(tǒng)可實現(xiàn)恒流充電，可切換諧振補償拓?fù)淙鐖D5所示。圖中，Edc是逆變器直流側(cè)電壓，VT1～VT4是開關(guān)管，Cf是濾波電容。K1、K2是副邊加入的切換開關(guān)，當(dāng)K1斷開，K2位于1接觸點時，補償拓?fù)錇長CL—S，可實現(xiàn)恒壓充電；當(dāng)K1閉合，K2位于2接觸點時，補償拓?fù)錇長CL—P，可實現(xiàn)恒流充電。

4. 仿真和實驗驗證

4.1 仿真驗證

在MATLAB/Simulink中構(gòu)建無線充電電路。因為蓄電池在充電過程中電池等效內(nèi)阻是在逐漸變化的，故仿真過程中，在0.15，0.25s處使負(fù)載突變，電阻由30Ω突變到15Ω，再突變到10Ω。系統(tǒng)主要參數(shù)，如表1所示，仿真波形圖，如圖6所示。圖6（a）是LCL—P的仿真波形圖，從中可看出突變前后電流穩(wěn)定在同一值，實現(xiàn)了恒流輸出。圖6（b）是LCL—S的仿真波形圖，從中可以看出，突變前后電壓穩(wěn)定在同一值，實現(xiàn)了恒壓輸出。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)表

圖6 仿真波形圖

4.2 實驗驗證

為了驗證本文結(jié)論的正確性，搭建了相應(yīng)的實驗平臺。實驗平臺負(fù)載選用的是4節(jié)12V，100Ah的蓄電池，將其串聯(lián)作為負(fù)載，原副邊線圈的距離是14cm。

圖7是恒流充電階段實驗波形圖，其中圖7（a）顯示電池端電壓Us=52.6V，充電電流Ic=6.1A；圖7（b）顯示端電壓為Us=61.8V，充電電流Ic=6.0A，可得在電池電壓增加過程中，充電電流保持恒定，符合恒流充電階段特點。

圖8是蓄電池的恒壓充電階段實驗波形圖，圖8（a）顯示電池端電壓Us=61.1V，充電電流Ic=5.5A，圖8（b）顯示電池端電壓Us=61.5V，充電電流Ic=1.3A，從圖中可看出，在充電過程中，充電電流不斷減小，端電壓基本不變，符合恒壓充電特點，實現(xiàn)了蓄電池的恒壓充電。

圖7 恒流充電實驗圖

圖8 恒壓階段實驗波形圖

5. 結(jié)語

本文分析了LCL—S和LCL—P補償拓?fù)涞男再|(zhì)，在此基礎(chǔ)之上提出了一種可切換諧振補償電路，其可實現(xiàn)恒流恒壓輸出，進而可實現(xiàn)電動汽車的恒流恒壓充電，并進行了仿真和實驗驗證。

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