宋 亮 張 希 李 哲

(上海交通大學(xué)， 上海 200240)

0 引言

在世界范圍內(nèi)化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)換的大環(huán)境下，傳統(tǒng)汽車行業(yè)的壓力日益增大。隨著奔馳、大眾等車企相繼公布了取消燃油車的時間日程表，市場迫切需要一種可以取代傳統(tǒng)燃油車的新能源汽車的出現(xiàn)。在眾多的新能源汽車中，電動汽車的發(fā)展最好且應(yīng)用最為廣泛，傳統(tǒng)汽車的電動化勢在必行。目前，電動汽車普及的最大障礙是充電問題。與通用的有線充電方式相比，電動汽車的無線充電有著方便快捷、安全穩(wěn)定的特點(diǎn)，并且可以省去充電樁占用的空間，因此比有線充電有更廣闊的應(yīng)用前景[1]。

電動汽車無線充電基本的拓?fù)漕愋陀蠸S,SP,PS,PP四種類型[2]，基于這四種基本拓?fù)溆盅葑兂龌旌贤負(fù)漕愋?，如S-SP[3],LCL[4]等。在眾多無線充電拓?fù)渲校蒐CC補(bǔ)償拓?fù)溆捎谄渲C振頻率不隨耦合系數(shù)及負(fù)載情況的變化而變化[5-6]，同時輸出端電流與負(fù)載無關(guān)可視作恒流源的特性被廣泛研究[7]。然而，對于此種拓?fù)涞墓β士刂茊栴}相關(guān)研究較少。本文對使用集成LCC補(bǔ)償拓?fù)涞臒o線充電系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用此種拓?fù)漭敵鰹楹懔髟吹奶匦栽黾覤UCK電路來對系統(tǒng)傳輸功率進(jìn)行控制，通過控制器調(diào)節(jié)BUCK電路中MOSFET的占空比實(shí)現(xiàn)功率的精確控制。根據(jù)實(shí)際充電情況，提出了恒電流模式與恒功率模式兩種控制模式。

圖1 無線充電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the wireless charging system

1 無線充電系統(tǒng)介紹

本文所研究的無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1。系統(tǒng)的輸入為直流穩(wěn)壓源，輸出為車載電池。整個系統(tǒng)可以分為前端的集成LCC補(bǔ)償拓?fù)渑c后端的BUCK電路兩部分。S1～S4組成逆變器，將直流信號轉(zhuǎn)為高頻交流信號，此信號通過集成LCC補(bǔ)償拓?fù)鋵⒛芰坑沙跫墏?cè)傳輸?shù)酱渭墏?cè)，再經(jīng)過D1～D4的整流與C3的穩(wěn)壓作用將感應(yīng)出的交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號。然后通過BUCK電路將能量傳輸給電池，在這里通過調(diào)節(jié)BUCK電路的占空比可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸功率的調(diào)節(jié)。下面將對集成LCC補(bǔ)償拓?fù)渑cBUCK電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 集成LCC補(bǔ)償拓?fù)浼捌溟_路效應(yīng)

集成LCC補(bǔ)償拓?fù)涫窃趥鹘y(tǒng)的LCC補(bǔ)償拓?fù)浠A(chǔ)上，將主線圈L1,L2與副線圈Lf1,Lf2疊放在一起進(jìn)行耦合，節(jié)省了空間。對其進(jìn)行分析首先要將三對耦合的線圈進(jìn)行解耦，將系統(tǒng)中的互感線圈進(jìn)行T型解耦并進(jìn)行受控源等效后，集成LCC補(bǔ)償拓?fù)淇梢院喕癁閳D 2。為了分析方便，將逆變器產(chǎn)生的高頻方波由其一次諧波近似替代，忽略高次諧波的影響。同時，認(rèn)為拓?fù)渲兴衅骷鶠槔硐胄推骷?/p>

如果對器件參數(shù)進(jìn)行～式進(jìn)行等效，可進(jìn)一步將拓?fù)浜喕癁閳D 3。

Lpf1=Lf1+M1

(1)

Lpf2=Lf2+M2

(2)

Lp1=L1+M1-1/(ω2C1)

(3)

Lp2=L2+M2-1/(ω2C2)

(4)

Cpf1=Cf1/(ω2M1·Cf1+1)

(5)

Cpf2=Cf2/(ω2M2·Cf2+1)

(6)

這里p代表初級側(cè)，s代表次級側(cè)。從圖 3中可以看出，如果經(jīng)過上述等效原則，該拓?fù)淇梢砸曌鱈CL拓?fù)?，而LCL拓?fù)涞囊粋€重要特點(diǎn)就是其輸出可以視作恒流源[8]。

在初級側(cè)，如果假設(shè)

Lpf1=Lp1

(7)

(8)

可得

(9)

(10)

圖2 集成LCC系統(tǒng)進(jìn)行解耦和受控源等效后結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The equivalent decoupled structure

圖3 選取特定參數(shù)后的結(jié)構(gòu)化簡圖Fig.3 The simplified structure

jωLpf1

(11)

(12)

同理，在次級側(cè)，如果假設(shè)

Lsf2=Ls2

(13)

ω0=1/Lsf2Csf2

(14)

可得到

jωLsf2

(15)

(16)

可得

(17)

(18)

·kU1U2

(19)

在一般的應(yīng)用中，輸入電壓U1為固定值，那么系統(tǒng)的傳輸功率僅與U2有關(guān)。由此，可以通過控制U2的大小來控制系統(tǒng)傳輸功率的大小。

在極端情況下，如果系統(tǒng)開路，由于輸出電流ILf2僅受輸入電壓U1的影響，電容C3上的電荷累加將導(dǎo)致U2急速上升，最終超過可承受的最大電壓而損壞。因此，想要系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，集成LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)不可以開路?？梢圆捎冕尫臗3上電荷的方法控制C3兩端的電壓，考慮到當(dāng)U1一定時傳輸功率P同U2存在如式關(guān)系，因而可以通過控制C3釋放電荷的速率來控制系統(tǒng)的傳輸功率。

由以上討論可以想到，在集成LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)末端與車載電池之間可以加入BUCK電路控制U2的大小。與傳統(tǒng)BUCK電路不同的是，由于車載電池的鉗位效應(yīng)的影響，此BUCK電路的控制量為輸入電壓Ubin。一般的車載電池要求充電電流平穩(wěn)，因此加入的BUCK電路應(yīng)該工作在連續(xù)模式。對于工作在連續(xù)模式下的BUCK電路，穩(wěn)態(tài)工況下其輸入輸出電壓同占空比存在如下關(guān)系

(20)

在這里，Uo為車載電池電壓，即Ubat, 此電壓在充電過程中會逐漸升高，并在當(dāng)電池SOC接近飽和式趨于穩(wěn)定。然而，車載電池電壓的變化速率同BUCK電路的控制速率相比十分緩慢，因此，在上式中可以認(rèn)為車載電池電壓恒定。Ubin為BUCK電路的輸入電壓，在理想條件下，Ubin與U2相等，關(guān)系如，由于U2同系統(tǒng)傳輸功率P存在線性關(guān)系，可通過控制Ubin控制傳輸功率。

Ubin=U2

(21)

與傳統(tǒng)的BUCK變換器不同，在這個應(yīng)用中BUCK變換器的輸出電壓為固定值而輸入電壓不定。造成這樣的不同在于：(1) 此BUCK電路的負(fù)載為電池，電池的鉗位效應(yīng)造成輸出電壓恒定；(2) 此BUCK電路的輸入為一電流源而不是電壓源，根據(jù)前文的推導(dǎo)可得，BUCK電路的輸入電流可表達(dá)為式經(jīng)過整流濾波之后的電流，可以表示為

(22)

此電流僅受電路參數(shù)和初級側(cè)電壓U1的影響，因此可以視作恒流源。在此恒流源的影響下，電荷會逐漸在C3處累積造成U2電壓上升，此時可以通過調(diào)節(jié)S5的占空比使電荷以一定速率釋放從而使U2穩(wěn)定在一定的值附近，進(jìn)而控制系統(tǒng)的傳輸功率。

1.2 無線充電系統(tǒng)功率控制方法

根據(jù)前文分析，可以以BUCK電路輸入端的電壓作為反饋來控制系統(tǒng)的傳輸功率，控制邏輯如圖 4。

圖4 BUCK電路控制邏輯圖Fig.4 The control diagram of the proposed BUCK circuit

令狀態(tài)變量x如式

(23)

即

(24)

由前文所述，此BUCK電路的輸入可近似為恒流源，則有

(25)

當(dāng)S5閉合時，有

(26)

(27)

于是可以得到狀態(tài)方程

(28)

(29)

其中γ>0 。

(30)

實(shí)際的充電過程中，有恒電流充電和恒功率充電兩種模式。在恒電流充電中，要求電池充電電流恒定Ic，充電功率隨著電池SOC的升高而增大，此時可取

(31)

在恒功率充電中，要求系統(tǒng)充電功率不隨電池電壓的變化而變化，始終保持在預(yù)設(shè)值Pc附近，此時可取

(32)

2 實(shí) 驗(yàn)

根據(jù)前文分析，搭建了一個基于集成LCC補(bǔ)償拓?fù)涞臒o線充電系統(tǒng)，如圖 5所示，實(shí)驗(yàn)中用電子負(fù)載代替車載電池。實(shí)驗(yàn)中逆變器S1上的波形與ILf1的波形如圖 6所示。在實(shí)際的充電過程中，有恒功率和恒電流兩種工況。在電池SOC較低的工況下，希望充電電流恒定，此時應(yīng)當(dāng)是充電功率隨著電池電壓增加而增加；在電池SOC達(dá)到某一值之后，更好的充電方式是恒功率充電，此時希望系統(tǒng)傳輸功率恒定。據(jù)此，在保持輸入電壓400 V恒定，電池電壓隨著電池SOC的上升從98 V上升到129 V的情況下，對系統(tǒng)的充電功率進(jìn)行控制，充電曲線如圖 7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)中Lf1與MOSFET S1上的波形圖Fig.6 The Waveform of Ilf1 and voltage on S1

圖7 電池電壓、傳輸功率充電曲線Fig.7 Battery voltage and power transferred curves

可以看出，在電池電壓從98 V～116 V之間，系統(tǒng)處于恒流狀態(tài)，電流保持穩(wěn)定，充電功率與電池電壓曲線保持一致，二者的比值恒定,充電功率逐漸上升。在電池電壓達(dá)到116 V以后，由于電池本身的充電特性，電池電壓快速上升，但是在此時切換系統(tǒng)控制邏輯，將充電模式變?yōu)楹愎β誓Ｊ?，充電功率曲線不隨電池電壓的迅速升高而變化，傳輸功率保持在2.89 kW附近。

3 結(jié) 論

本文在對集成LCC補(bǔ)償拓?fù)淅碚摲治龅幕A(chǔ)上，在整流器與電池之間增加了BUCK電路，以BUCK電路的輸入電壓作為反饋設(shè)計(jì)了恒功率充電與恒電流充電兩種充電模式。通過實(shí)驗(yàn)分析，此方法能夠使電池在SOC較低的情況下進(jìn)行恒功率充電，在SOC達(dá)到一定閾值之后切換至恒電流充電模式，符合電池的充電特性。