張 奇 楊云虎 張 楊 鄧澤卓

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院/安徽省高校電力電子與運(yùn)動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 馬鞍山 243000)

與傳統(tǒng)的有線接觸式電能傳輸系統(tǒng)相比，無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)(Wireless Power Transfer，WPT)具有非接觸操作、應(yīng)用方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。電動(dòng)汽車制造中最常用的電池是鋰離子電池，其充電過(guò)程中的安全性非常重要。在電動(dòng)汽車充電過(guò)程中，恒流(Contant Current，CC)和恒壓(Contant Voltage，CV)的充電模式占主導(dǎo)地位。電池開(kāi)始充電時(shí)以恒流模式運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載等效電阻增大到臨界點(diǎn)時(shí)切換到恒壓模式運(yùn)行，此后則以恒壓模式充電[4-5]。

有研究指出，恒壓、恒流輸出的實(shí)現(xiàn)，可以采用在發(fā)射側(cè)引入閉環(huán)回路的方法，對(duì)負(fù)載電壓或者電流進(jìn)行檢測(cè)并將數(shù)據(jù)反饋到控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比[6-8]。但是發(fā)射側(cè)與接受側(cè)的控制過(guò)程較復(fù)雜，有的甚至需要在接受側(cè)增加BUCK電路，使系統(tǒng)損耗上升。另一種實(shí)現(xiàn)恒壓恒流的方法，是改變補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，配置不同的參數(shù)。另有文獻(xiàn)中提出的串串-串并拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]和 LCC-LCC、LCC-S 混合變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]，都可實(shí)現(xiàn)恒流輸出和恒壓輸出。其缺點(diǎn)是，需要在變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中加入多個(gè)補(bǔ)償元件，不僅電路設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，而且裝置體積偏大。

基于以上問(wèn)題，本次研究將設(shè)計(jì)一種在發(fā)射側(cè)具有輔助電容的LCL-S補(bǔ)償拓?fù)錈o(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。LCL結(jié)構(gòu)具有恒流恒壓特性[11]，但單一拓?fù)鋮?shù)只可獲得一種固定的傳輸特性，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒流和恒壓兩種模式。發(fā)射側(cè)的單個(gè)交流開(kāi)關(guān)用于配置補(bǔ)償拓?fù)?，只有發(fā)送端信息用于配置補(bǔ)償拓?fù)洌虼?，并不依賴無(wú)線通信。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，在固定頻率下工作，控制方案簡(jiǎn)單。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 電路拓?fù)?/h3>

(1)

Zin為圖1中從發(fā)射側(cè)看過(guò)去的輸入阻抗：

(2)

其中Zr為圖1中接受側(cè)在發(fā)射側(cè)的反射阻抗。

(3)

圖1 LCL-S等效分析模型

1.2 恒流模式

圖2 CP被分割的LCL-S等效電路模型

式(4)中,ω0為諧振頻率：

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)式(7)，可知等效的電流源大小與原邊電壓和兩個(gè)電感值有關(guān)。變換式(7)，可得到次級(jí)線圈中的電流：

(8)

根據(jù)式(8)可知，接收線圈的輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)。當(dāng)發(fā)射端和接收端發(fā)生諧振時(shí)，根據(jù)式(9)計(jì)算恒流模式下的輸入阻抗：

(9)

1.3 恒壓模式分析

分析LCL-S補(bǔ)償拓?fù)洫?dú)立于負(fù)載的輸出電壓。L1=LP作為輸入側(cè)實(shí)現(xiàn)零相角(ZPA)條件,有式(10)(11)(12)。

(10)

(11)

(12)

由式(12)可知，流過(guò)發(fā)射線圈的電流與負(fù)載無(wú)關(guān)。據(jù)式(13)計(jì)算接收側(cè)負(fù)載兩端的電壓：

(13)

由式(13)可知，負(fù)載電壓與負(fù)載無(wú)關(guān)。由式(14)可知，逆變電流與互感有關(guān)。

(14)

據(jù)式(15)，計(jì)算恒壓模式下的輸入阻抗：

(15)

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本次研究提出的無(wú)線充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。為了處理雙向諧振電流，將Sp設(shè)為兩個(gè)IGBT的反并聯(lián)連接。在恒流工作模式下，SP處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后L1和LP與發(fā)射側(cè)的兩個(gè)電容產(chǎn)生諧振，而LS與接收側(cè)的電容產(chǎn)生諧振。在恒壓模式下，SP處于關(guān)閉狀態(tài)，然后L1與發(fā)送側(cè)的電容產(chǎn)生諧振，LS與接收側(cè)的電容產(chǎn)生諧振。

圖3 LCL-S可重構(gòu)的無(wú)線充電拓?fù)?/p>

逆變器的輸出電壓VP可由逆變器以直流電壓E的50%占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。一次諧波分量的輸出電壓幅值可用式(16)表示：

(16)

圖4給出了開(kāi)關(guān)SP的控制邏輯，其中Vref為在恒壓充電模式下的參考電壓。將預(yù)估的電池電壓Vb與參考電壓Vref進(jìn)行比較：當(dāng)Vb

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮電池恒流充電模式下的額定電流(12 A)，即Ib此時(shí)為12 A和額定電壓(56 V)即Vb為56 V。額定條件下電池的等效電阻(R0)用式(17)計(jì)算：

(17)

整流器輸入端的等效電阻RL用式(18)計(jì)算：

(18)

LS通過(guò)接收端負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)(QS)來(lái)計(jì)算，如式(19)：

(19)

QS取值為4，LS在85 kHz頻率下的評(píng)估值為28.5 μH。VS的有效值可用式(20)計(jì)算：

(20)

由式(20)計(jì)算出IS的有效值為13.3 A。通過(guò)式(15)找到M，恒壓模式下考慮耦合系數(shù)為0.23，VP有效值為230 V。移相調(diào)制技術(shù)用于控制高頻逆變器的輸出電壓。

圖4 Sp控制邏輯

圖5所示為S1— S4的相關(guān)柵極脈沖和相移調(diào)制技術(shù)的逆變器輸出電壓。在恒壓模式下，當(dāng)VP的有效值為23 V時(shí)，最大相移為180°，則得到E為255.5 V。對(duì)于恒流模式，計(jì)算出VP為50 V。保持恒定的E(恒壓模式)，在VP有效值為50 V時(shí)，移相角必須改為27°。

為了使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、制造成本更低，線圈采用了圓形螺旋線圈幾何形狀。接收線圈的外徑(Do)設(shè)為40 cm。發(fā)射線圈的外徑為42 cm，發(fā)射線圈和接收線圈之間的間隙為12 cm。圓形螺旋線圈的自感系數(shù)可以用惠勒公式計(jì)算，如式(21)：

(21)

圓形螺旋線圈不同參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系如式(22)所示：

Do=Di+2(N-1)(td+r)+2r

(22)

通過(guò)式(21)(22)，可確定發(fā)射線圈、接收線圈的不同參數(shù)。利茲線的直徑為2.58 mm，發(fā)射線圈的匝數(shù)為6、內(nèi)徑為40 cm 、匝間距為0.2 cm，接收線圈的匝數(shù)為6、內(nèi)徑為38 cm、匝間距為0 cm。

圖5 S1 — S4相移控制

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。實(shí)驗(yàn)元件相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)元件參數(shù)

恒流模式下的輸出電流為12 A，恒壓模式下的輸出電壓為56 V。通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) TMS320F28335實(shí)現(xiàn)控制，在恒流、恒壓模式中計(jì)算相移。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由直流電壓源、高頻逆變器、松耦合變壓器、發(fā)射側(cè)補(bǔ)償電容、接收側(cè)補(bǔ)償電容、接收側(cè)補(bǔ)償電感、全橋整流器、可變負(fù)載、示波器組成。其中，高頻逆變器由4個(gè)具有較低導(dǎo)通電阻的 MOSFET 構(gòu)成，全橋不可控整流器由4個(gè)快恢復(fù)二極管構(gòu)成。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)恒流輸出和恒壓輸出的特性。圖6、圖7中自上往下：第一通道表示輸入電壓VP；第二通道表示逆變電流Iinv；第三通道表示負(fù)載電壓Vb；第四通道表示負(fù)載電流Ib。橫坐標(biāo)每一格的間隔為5 μs。當(dāng)工作頻率為110 kHz時(shí)，直流輸入電壓為220 V。當(dāng)負(fù)載電阻為3.4 Ω時(shí)，逆變器的輸出和負(fù)載電壓、電流如圖6所示，即恒流模式。第四通道是負(fù)載電流Ib，其輸出電流等于11.5 A時(shí)，接近我們需要得到的值。

由于輸入阻抗角較小，系統(tǒng)需要以較小的無(wú)功功率確保在逆變器開(kāi)關(guān)接通期間保持軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電阻為15 Ω時(shí)逆變器輸出和負(fù)載電壓、電流如圖7所示，即恒壓模式。第三通道是負(fù)載電壓Vb，輸出電壓為54 V時(shí)，約等于恒壓模式下電壓的參考值。

對(duì)于不同的電阻值，在整個(gè)充電過(guò)程中的系統(tǒng)效率曲線如圖8所示。隨著負(fù)載發(fā)生變化，最大充電效率(87%)發(fā)生在恒流到恒壓模式轉(zhuǎn)換期間，此時(shí)等效電阻為6 Ω。恒流向恒壓模式切換時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變，輸出電流保持恒定，達(dá)到恒壓狀態(tài)時(shí)輸出電流開(kāi)始減小，輸出電壓基本不變。

圖6 恒流模式下的實(shí)驗(yàn)波形

圖7 恒壓模式下的實(shí)驗(yàn)波形

圖8 系統(tǒng)充電效率曲線

針對(duì)電動(dòng)汽車的靜態(tài)充電問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)了經(jīng)濟(jì)高效的停車輔助系統(tǒng)，可用于調(diào)整車輛位置[12-13]。此外，一旦線圈系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于特定的車輛離地間隙，該特定車輛線圈系統(tǒng)的距離變化是由于車輪中氣壓變化所引起。此變化較小，所以互感M可以保持近似恒定。

此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了氣隙距離和互感M的變化對(duì)輸出電流、電壓的影響。對(duì)于10～14 cm的間隙變化，互感M則在7.5～6.21 μH之間變化。從圖9可以看出間隙變化對(duì)輸出電流、電壓的影響。對(duì)于11～12 cm的間隙距離范圍，輸出電流的變化小于2%，輸出電壓的變化小于 2%。

圖9 線圈間隙變化對(duì)輸出的影響

4 結(jié) 語(yǔ)

本次研究設(shè)計(jì)的磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)，是在LCL變參數(shù)補(bǔ)償基礎(chǔ)上，通過(guò)改變補(bǔ)償參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)的恒壓、恒流輸出。通過(guò)LCL-S拓?fù)湓边厑?lái)建立模型，在發(fā)射側(cè)使用輔助電容器來(lái)重新配置補(bǔ)償拓?fù)?。其中，恒流模式可以?shí)現(xiàn)ZVS，恒壓模式可以實(shí)現(xiàn)ZPA。該系統(tǒng)能輸出不受負(fù)載變化影響的恒定電流和恒定電壓,實(shí)現(xiàn)恒壓恒流充電以及兩種模式的切換，最大充電效率可達(dá)到87.5%。

系統(tǒng)中，將恒流輸出和恒壓輸出融入到一個(gè)拓?fù)渲?，但是需通過(guò)一側(cè)增加交流開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)電池充電電壓發(fā)生跳變的現(xiàn)象，影響電池壽命。這一點(diǎn)仍有待改進(jìn)。