耿琪琛，劉坤，程少宇，田子涵，康錦萍，趙海森

不同補償拓撲結構下電動汽車無線充電系統(tǒng)傳輸特性對比

耿琪琛，劉坤，程少宇，田子涵，康錦萍，趙海森

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102200）

無線電能傳輸系統(tǒng)（WPTS）的核心器件為耦合變壓器，其原、副邊線圈間的氣隙會產(chǎn)生漏感和激磁電感，從而降低輸出功率和傳輸效率。為了補償漏感和激磁電感，WPTS需要添加補償網(wǎng)絡。根據(jù)原、副邊補償方式不同，有SS（series-series）型、雙邊LCL型和雙邊LCC型補償拓撲。針對這3種典型的補償拓撲，通過MATLAB/SIMULINK仿真，分析其傳輸特性，并分析了其在抗偏移方面的性能。結果發(fā)現(xiàn)SS型補償拓撲適用于高功率工作環(huán)境，但在某些特殊工況中存在較大安全隱患；LCL型補償拓撲魯棒性較好，但不適于大功率系統(tǒng)；LCC型補償拓撲在保持較好魯棒性的同時，傳輸功率有明顯提高。搭建實驗平臺對SS型補償拓撲的傳輸特性進行驗證，發(fā)現(xiàn)當磁耦合器不發(fā)生偏移時，傳輸功率可達3 kW以上，當耦合器線圈偏移到200 mm時，傳輸功率高達6 kW。

無線電能傳輸系統(tǒng)；補償拓撲結構；輸出功率；抗偏移性能；傳輸特性

0 引言

隨著電動汽車技術的快速發(fā)展，電動汽車的無線充電問題逐漸受到人們的關注。無線電能傳輸（WPT）為電動設備的能量獲取提供了全新的解決途徑[1-5]。電動汽車的無線充電技術以電磁場為傳輸電能的途徑，由原邊的高頻逆變交流電源提供電能，利用耦合變壓器，磁場耦合到副邊線圈，再將電能傳輸?shù)截撦d上，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。該技術具有安全環(huán)保、可靠智能、能適應惡劣環(huán)境等特點。

無線充電系統(tǒng)中的耦合器屬于松耦合器，為減小系統(tǒng)無功和提升傳輸效率，需要加入諧振拓撲網(wǎng)絡[1]。文獻[2]介紹了SS型、SP型、PS型、PP型4種基本補償拓撲，并對4種基本補償拓撲進行分析，得出SS型為最優(yōu)補償拓撲。文獻[3]提出了一種基于雙LCL復合諧振網(wǎng)絡的無線充電方法，并通過仿真和實驗驗證了雙LCL諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)在電動汽車蓄電池充電方面的可操作性。文獻[4]通過量化參數(shù)比較了DS-LCL、LCL-LCC等補償拓撲，并提出了一種LCC-LCL型補償拓撲，在系統(tǒng)效率上有較大提升。文獻[5]提出了一種新型雙側LCC補償結構的諧振變換器拓撲。文獻[6]設計了一臺3.3 kW的基于雙LCC諧振補償電路的變換器，仿真和實驗驗證了針對諧振補償電路特性的分析及優(yōu)化方法的正確性。文獻[7]針對雙向電動汽車無線充電系統(tǒng)，對3種諧振拓撲深入研究，從參數(shù)變化與系統(tǒng)故障的魯棒性、特定工況下的最大傳輸功率以及諧振電容電壓等方面進行了對比分析。文獻[8]提出了一種雙LCL變補償參數(shù)的磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)，對部分補償元件進行投切操作可以實現(xiàn)恒流和恒壓充電。文獻[9]提出了基于MERS的LCL諧振型無線電能傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅通過改變MERS的導通角即可實現(xiàn)恒流、恒壓、最大功率3種輸出模式。文獻[10]采用二端口網(wǎng)絡分析法對集成式LCC補償拓撲進行建模和分析，得出不同負載情況下，系統(tǒng)輸出電流和輸入電壓的增益、輸入阻抗實部、系統(tǒng)效率曲線，提出了諧振元件參數(shù)優(yōu)化的方法，并搭建了集成式LCC補償拓撲的WPT系統(tǒng)樣機。文獻[11]設計了一種基于LCL-LC/LCL混合補償?shù)臒o線充電系統(tǒng)，并實驗驗證了不同負載之間可以獨立工作并且能夠?qū)崿F(xiàn)變負載情況下的恒流或者恒壓輸出。文獻[12]提出了一種雙邊LCC補償網(wǎng)絡及其調(diào)諧方法，并設計和制作了一臺7.7 kW樣機，測量效率達96%。文獻[13]介紹了目前常用補償電路的一些特點，如恒壓或恒流輸出、輸入，ZPA的實現(xiàn)以及軟開關等，對不同的諧振電路進行了系統(tǒng)效率分析，并對具有漏感補償和自感補償?shù)腟S型拓撲進行了研究。文獻[14]綜合比較了SS型和LCC-S型兩種拓撲在相同條件下的特性，包括零相角頻率和負載變化對傳輸特性的影響。

本文分析SS型、LCL型、LCC型3種補償拓撲結構的輸入、輸出電流，原、副邊電流，傳輸功率與互感、負載電阻之間的關系，并通過MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真驗證，對3種補償拓撲進行對比分析，得到各補償拓撲結構的優(yōu)缺點。

1 典型補償拓撲

WPT系統(tǒng)的磁耦合器漏感大、激磁電感小，降低了耦合器線圈間的功率傳輸能力。所以，WPT系統(tǒng)通常在原、副邊添加諧振補償拓撲，以提高系統(tǒng)的傳輸效率。典型的補償拓撲有SS型、LCL型和LCC型3種，其等效電路如圖1所示。

圖1 典型的3種補償拓撲結構

圖中，in是高頻電壓源；為耦合器兩線圈間的互感；p為原邊線圈的自感，s為副邊線圈的自感；1為原邊線圈補償電感；2為副邊線圈補償電感；1為原邊線圈諧振補償電容；2為副邊線圈諧振補償電容；L為等效負載電阻；in是輸入電流，o是流經(jīng)等效負載上的電流，p和s分別為流經(jīng)原邊和副邊線圈上的電流。

2 補償拓撲數(shù)學模型分析

2.1 SS型補償拓撲的數(shù)學模型

SS型補償拓撲是傳統(tǒng)補償方式中應用最為廣泛的方式。SS型補償拓撲的互感等效電路模型如圖2所示。

圖2 SS型補償拓撲的互感等效模型

當系統(tǒng)完全諧振時，諧振頻率：

由基爾霍夫定律，列原、副邊KVL方程：

進一步解得原、副邊電流為：

由式（3）可知，當系統(tǒng)完全諧振時：

圖3 SS諧振相量圖

2.2 LCL型補償拓撲的數(shù)學模型

LCL型補償拓撲電路的互感等效電路模型如圖4所示。

圖4 LCL型補償拓撲的互感等效模型

LCL型諧振補償拓撲在結構上相當于在并聯(lián)諧振結構上增加了補償電感1和2，且使1=p，2=s，則系統(tǒng)發(fā)生諧振。在系統(tǒng)完全諧振情況下：

根據(jù)基爾霍夫定律，分別列寫原、副邊KVL方程：

將式（5）帶入式（6），化簡得：

由式（7）可知，當系統(tǒng)完全諧振時：

圖5 LCL諧振相量圖

2.3 LCC型補償拓撲的數(shù)學模型

LCC補償拓撲結構來源于LCL結構，LCC型補償拓撲電路的互感等效電路模型如圖6所示。

圖6 LCC型補償拓撲的互感等效模型

LCC型補償諧振拓撲的結構來源于LCL型拓撲，結構上增加了電容1和2，系統(tǒng)諧振條件為：

由基爾霍夫定律同樣可以得到：

由式（10）可知，當系統(tǒng)完全諧振時：

圖7 LCC諧振相量圖

3 仿真分析

3.1 輸入電流、輸出電流及線圈電流分析

從式（3）（7）（10）可知，當系統(tǒng)激勵電源、線圈參數(shù)、諧振頻率、補償參數(shù)確定后，電流主要受互感和負載電阻L影響。利用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真，得到各支路電流隨互感和負載電阻L的變化趨勢。文獻[15]中提出了最優(yōu)耦合系數(shù)區(qū)間的概念，根據(jù)式（12）得到最優(yōu)耦合系數(shù)區(qū)間對應的互感系數(shù)區(qū)間。

仿真時取諧振頻率為85?kHz，線圈參數(shù)中原邊線圈自感取300?μH，副邊線圈自感取300?μH，最優(yōu)耦合系數(shù)對應的互感系數(shù)區(qū)間取30?μH～68?μH。蓄電池充電過程中，電池內(nèi)阻隨充電過程降低?！峨妱悠囉秒姵毓芾硐到y(tǒng)技術條件》中規(guī)定，電池耐溫范圍負載電阻變化范圍為–40 ℃～85 ℃。負載電阻取10?Ω～80?Ω進行仿真。

圖8的仿真結果給出了3種補償拓撲結構的各支路電流隨負載電阻和互感的變化趨勢。仿真過程中，互感的變化模擬磁耦合器線圈的偏移過程，互感值越大代表磁耦合器線圈間的耦合度越高，互感值越小則表示模擬線圈偏移的距離越遠。從圖8的仿真結果可知：當互感值減?。雌凭嚯x增大），SS補償拓撲結構的原邊電流顯著上升，易出現(xiàn)過流情況；而LCL型補償拓撲結構的各支路電流值受互感影響較小，系統(tǒng)情況穩(wěn)固；LCC型補償拓撲結構除原邊線圈支路外，其他支路電流則表現(xiàn)出減小的趨勢，系統(tǒng)更加穩(wěn)固。

圖8 輸入電流、輸出電流和線圈電流隨負載和互感變化

3.2 傳輸功率分析

從式（4）（8）（11）可知，當系統(tǒng)激勵電源、線圈參數(shù)、諧振頻率、補償參數(shù)確定后，影響傳輸功率的主要因素是互感和負載電阻L，如圖9所示。

圖9 傳輸功率對比

圖9所示為3種補償拓撲的傳輸功率隨負載電阻和互感的變化趨勢。由結果可知，SS型補償拓撲傳輸功率較高，但LCL與LCC型補償拓撲結構在互感明顯變化（即偏移距離變化明顯）過程中系統(tǒng)更穩(wěn)固，且LCC型補償拓撲結構的傳輸功率較LCL型有明顯提高。

3.3 對比分析

為了更加直觀地觀察3種補償拓撲的傳輸特點，將上述分析結果對比。表1列出了3種補償拓撲的各參數(shù)隨負載電阻的變化，表2列出了各參數(shù)隨互感的變化。

由表1可知，隨著充電過程中負載電阻的減小，不同補償拓撲的各項電流參數(shù)和傳輸功率變化如下：

表1 各參數(shù)隨負載電阻變化

表2 各參數(shù)隨互感變化

（1）SS型補償拓撲的副邊線圈電流維持不變，而原邊線圈電流隨之減小?？紤]極限情況，若充電過程中突發(fā)故障致使汽車端（副邊）短路，則原邊線圈電流將降低為零，不會出現(xiàn)危險工況。

（2）LCL型補償拓撲的原邊線圈電流和流經(jīng)負載電阻的輸出電流維持不變，而原邊線圈電流和輸入電流隨之減小。極端情況下，若副邊突發(fā)短路，尚屬于安全狀況。結合圖9，LCL型補償結構的傳輸功率偏低，在大功率無線充電應用中不及SS型補償拓撲。

（3）LCC型補償拓撲在繼承了LCL的傳輸特點的同時，傳輸功率也明顯優(yōu)于LCL型。

電動汽車充電時，汽車的停車位置非正對或汽車底盤變高都會降低充電線圈間的互感，從而影響充電過程的電流和傳輸功率。由表2可知，當互感降低，不同補償拓撲各支路電流參數(shù)和傳輸功率變化如下：

（1）SS型補償拓撲的線圈電流隨之升高，考慮極限情況，若充電過程中出現(xiàn)汽車端（副邊）突發(fā)故障致使副邊電流消失，則易出現(xiàn)原邊線圈過流。

（2）LCL型補償拓撲的原邊線圈電流維持不變，因為其值只與激勵電源有關。極限情況下，若汽車端故障致使副邊電流消失，原邊線圈不會過流，所以LCL型補償拓撲在互感降低情況下比SS型補償拓撲具有更好的魯棒性。

（3）LCC型補償拓撲結構來源于LCL結構，所以也具備了互感降低情況下的優(yōu)勢。結合圖9可知，在線圈參數(shù)、激勵電壓、諧振頻率、互感系數(shù)都相同的情況下，LCC型補償拓撲的傳輸功率明顯高于LCL型補償拓撲。

4 實驗驗證

為驗證前述理論分析和仿真的正確性，以SS型補償拓撲模型為例，搭建實驗平臺。實驗平臺由直流電源、原邊補償電容、磁耦合器線圈、副邊補償電容、整流電路等組成，直流電源內(nèi)包括整流模塊和逆變模塊。實驗系統(tǒng)的具體參數(shù)如表3所示。實驗時，磁耦合器兩線圈間距為200?mm，線圈正對時的磁耦合系數(shù)=0.25。

表3 實驗參數(shù)表

使用SS型補償拓撲的WPT系統(tǒng)在不同互感和不同負載時的原副邊電流和傳輸功率如圖10和圖11所示?？梢钥闯觯斊凭嚯x減小即互感增大時，原副邊電流減小，傳輸功率也減小；當負載電阻增大時，原邊電流隨之增大而副邊電流基本不變，傳輸功率也隨之增加。這一實驗結果與理論分析和仿真得到的規(guī)律一致，所述規(guī)律和不同補償拓撲結構的傳輸特性得到驗證。

圖10 原副邊電流在不同偏移距離和不同負載下變化趨勢

圖11 不同偏移距離和不同負載下功率變化

5 結論

針對SS、LCL、LCC 3種補償拓撲結構，分析了負載變化和互感變化時系統(tǒng)電流和傳輸功率方面的特性，結論如下：

（1）SS型補償拓撲在相同的耦合器參數(shù)下，能夠在偏移情況下保持高功率，適用于高功率工作環(huán)境；LCL型補償拓撲在相同耦合器參數(shù)下輸出功率較低，但在某些突發(fā)狀況下魯棒性更好；LCC型補償拓撲來源于LCL型補償拓撲，保留了特殊工況下具有較好的魯棒性這一優(yōu)點的同時，相同耦合器參數(shù)下輸出功率和傳輸效率有顯著提高。

（2）考慮實際應用：SS型補償拓撲結構簡單，但是當副邊電路發(fā)生斷路時，易發(fā)生原邊線路過流，導致意外發(fā)生；LCL型補償拓撲要求感抗大小與耦合器線圈相同，導致補償電感尺寸很大，增加了成本和系統(tǒng)空間；LCC補償拓撲是在LCL結構上再附加電容形成的，但結構尺寸小，發(fā)展?jié)摿^大。

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Comparison of Transmission Characteristics of Electric Vehicles Wireless Charging System under Different Compensation Topologies

GENG Qichen, LIU Kun, CHENG Shaoyu, TIAN Zihan, KANG Jinping, ZHAO Haisen

(School of Electrical and Elrctric Engineering North China Electric Power University, Beijing 102200, China)

The core device of WPTS is a coupling transformer. The air gap between the primary and secondary coils will produce leakage inductance and magnetizing inductance, which reduces the output power and transmission efficiency. To compensate for leakage inductance and magnetizing inductance, a compensation network is needed. According to the different compensation methods of the primary and secondary side, the typical compensation topologies are SS (series-series) type, bilateral LCL type (hereinafter referred to as LCL type) and bilateral LCC type (hereinafter referred to as LCC type) compensation. In this paper, for these three typical compensation topologies, through MATLAB/SIMULINK simulation, their transmission characteristics were analyzed,and their anti-offset performance was analyzed. The results show that the SS-type compensation topology is suitable for high-frequency operating environment. However, there is great hidden danger in some special conditions. The LCL-type compensation topology is more robust but not suitable for high power systems, The LCC-type compensation topology maintains better robustness, and the transmission power is also significantly improved.In this paper, an experimental platform is built to verify the transmission characteristics of the SS-type compensation topology. When the coupler coil is not offset, the transmission power can reach more than 3 kW, and when the coupler coil is offset to 200 mm, the transmission power is as high as 6 kW.

WPT system; compensation topology structure; output power; anti-offset performance; transmission characteristics

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.09.003

TM724

A

1672-0792(2021)09-0018-08

2021-06-24

耿琪琛（1995—），女，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

劉 坤（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

程少宇（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

田子涵（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為無線電能傳輸；

康錦萍（1975—），女，副教授，主要研究方向為交流電機非線性模型及參數(shù)研究、無線電能傳輸?shù)龋?/p>

趙海森（1982—），男，副教授，主要研究方向為高效低振動電機理論研究與設計、電機系統(tǒng)節(jié)能及無線電能傳輸?shù)取?/p>