基于蓄电池的快速无线充电技术仿真分析

钱杭 权家乐 王家旭

摘  要：无线充电技术通常在供电电源端和用电设备端分别安装能量发射线圈和能量接收线圈，实现能量的转换，完成电能的无线传输。其具有安全，日常维护少和操作简便等优点。文章介绍了一种可用于蓄电池的大功率快速无线充电系统，分析了该系统的工作原理，制定了双闭环的控制策略，并通过仿真进行了验证。

关键词：无线充电;蓄电池;双闭环控制;仿真分析

中图分类号：TM912        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0148-04

Abstract： The wireless charging technology usually installs the energy transmitting coil and the energy receiving coil at the power supply end and the electric equipment end respectively to realize the energy conversion and complete the wireless transmission of electric energy. The utility model has the advantages of safety， less daily maintenance and simple operation. In this paper， a high-power fast wireless charging system which can be used for storage battery is introduced， the working principle of the system is analyzed， and the double closed-loop control strategy is established and verified by simulation.

Keywords： wireless charging; battery; double closed-loop control; simulation analysis

1 概述

无线电能传输技术解决了传统插拔式充电方式所面临的接口限制、安全和便利性差等问题[1-2]，对于蓄电池这种需要进场进行充电的电源设备而言，与传统充电方式比较，能够较好地避免了充电接口的磨损。增加了设备的使用寿命。

另一方面，无线充电技术在供电电源端（原边）和被充电设备端（副边）没有电气连接，采用电磁能互相转换的方式实现电能的无线传输，电气隔离的方式很好地避免了原边和副边的相互干扰。

本文对该无线充电的基本原理和其控制策略进行分析研究，提出了一种在系统原边进行双闭环控制的控制策略，该策略不仅能够实现对充电电流的精确控制，还能保证原边逆变器软开关的实现，提高系统的传输效率[4]。

2 原理與设计

2.1 系统电路原理分析

该无线充电系统的总体结构框图如图1所示。系统原边包含整流电路、DC/DC变换电路、高频逆变电路、LCC谐振电路和主线圈（发射能量）;副边包含主线圈（接收能量）、LCC谐振电路、变压器、整流电路和滤波电路。

根据图1所示总体结构框图可知，系统通过原副边的主线圈实现电能的无线传输。本文中，原副边的主线圈采取相同结构尺寸，因此原副边主线圈自感相同。

图2中的L1、L2分别为原边、副边主线圈自感，Lf1、Lf2分别为原边、副边谐振电感，Cf1、Cf2分别为原边、副边谐振电容，C1、C2分别为原边、副边补偿电容，M为原-副边主线圈耦合电感，Cdc1、Cdc2为原边DC/DC变换器输入和输出电容，Lout为副边滤波器电感，Cdc3、Cdc4为副边滤波器电容。

根据对原-副边LCC谐振电路分析，可以得出在谐振点下原边逆变器的输出电压和电流的基波分量和高频分量[3]。在基波下，逆变器的输出电压和电流的几波分量可表示为：式中：ILf1为原边逆变电路输出电流的基波分量;ILf2为副边LCC谐振网络输出电流的基波分量;？棕为谐振角频率;UAB为原边逆变电路输出电压基波分量有效值;Uab为副边LCC谐振网络输出电压基波分量有效值。

由于系统中高次谐波电流的影响，导致原边逆变电路的输出电流相位滞后于输出电压相位，其相位差为：

根据上述基频和高频特性分析，可得系统LCC谐振网络传输功率为：

2.2 线圈结构设计

无线充电的主线圈的设计对于无线充电系统具有重要作用，决定了其电能传输效率和其所能进行电能传输的距离。

主线圈一般有单极性和双极性两种结构类型，单极性结构一般有方形平面线圈、圆形平面线圈、圆形螺旋线圈以及方形螺旋线圈，在相同尺寸、匝数和传输距离下，圆形平面线圈的互感最大，也就是说其传输效率最高。双极性线圈一般采用双矩形线圈（DD形），双极性线圈的自感量、耦合系数都比单极性线圈要大，但其尺寸也相应较大，适用于大功率无线充电系统。在小功率无线充电系统中，通常选用圆形平面线圈。

本系统中主线圈采用的是圆形平面线圈结构，并在一侧放置磁芯，提高磁通量进而提高自感，同时能够有效放置外界的干扰。线圈规格为直径为20cm的平面圆形线圈，传输距离为4cm。通过ANSYSMaxwell仿真软件构建线圈模型，经仿真可得原副边主线圈自感分别为82.9？滋H、81.3？滋H，互感为38？滋H。

3 控制策略设计

系统中原边DC/DC变换器的控制策略的设计采用双闭环控制策略，在保证副边在稳定的充电功率状态下，同时还需保证原边逆变器实现软开关。根据[4]可知实现原边逆变器软开关的条件是[4]：

采用电流外环和电压内环的双闭环控制策略，其中外环工作于恒流模式，保证副边输出的充电功率（充电电流）稳定不变，内环起到电压跟随的作用，保证DC/DC变换器的输出电压（逆变器直流侧电压）高于副边LCC谐振网络的输出电压值，从而保证原边逆变器软开关的实现。

4 仿真分析

4.1 仿真系统构建

本文采用PLECS仿真软件构建仿真模型，PLECS是一个用于电路和控制结合的多功能仿真软件，尤其适用于电力电子和传动系统。

本系统原边采用单向220V作为电源输入，主线圈的谐振频率为85kHz，充电功率约为2400kW，充电电压为28V，充电电流约为85.7A。其它关键仿真参数如表1所示，仿真示意图如图4所示。

4.2 仿真结果分析

根据上述仿真参数进行仿真，由于涉及的充电功率为2400W，所以设定原边DC/DC变换器的电感电流为8A即可满足要求。系统仿真的相关波形如图5～图7所示。

根据图5可知，原边DC/DC变换器电感电流在双闭环控制策略下稳定在8A。

从图6中的逆变器输出电压电流波形可以看出，在逆变器开关管关断时刻的电流为正值，满足式（4）中的逆变器软开关的实现要求。

图7中的仿真波形显示，该系统能够为28V蓄电池提供稳定的充电电流，其充电电流约为86.4A满足设计指标要求。

5 结论

本文设计的无线充电系统适用蓄电池的快速充电，由于系统副边输出特性是恒流源特性，因此可适用于多种电压等级的蓄电池。通过仿真分析可以得出以下结论：

（1）其充电功率可通过原边DC/DC变换器的电感电流进行控制，双闭环PI控制策略具有良好的稳定性。

（2）双闭环控制策略可以在保证较高的充电功率的基礎上，保证原边逆变器软开关的实现，从而可以再减小系统的开关损耗。

（3）在系统原边所采用的双闭环PI控制策略尽管能够取得较好的控制效果，但是其动态响应还有待提高。此外本仿真模型没有考虑实际的电阻损耗和开关损耗等相关损耗模型，所以在实际情况下，充电电流会略低于仿真所得的充电电流。该仿真对实际无线充电平台的设计具有较强的指导意义。

参考文献：

[1]Meng J，Yunfei M U，Jianzhong WU，et al.Dynamic Frequency Response From Electric Vehicles in the Great Britain power system[J].Journal of Modern Power Systems&Clean Energy，2015，3（2）：203-211.

[2]朱春波，姜金梅，宋凯，等.电动汽车动态无线充电关键技术研究进展[J].电力系统自动化，2017，41（2）：60-65.

[3]Li S，Li W，Deng J，et al.A Double-sided LCC Compensation Network and Its Tuning Method for Wireless Power Transfer[J].IEEE Trans.On Vehicular Technolgy，2015，64（6）：2261-2273.

[4]钱杭，张立炎，陈启宏，等.动态无线充电的软开关及控制策略研究[J].电力电子技术，2019，53（1）：90-106.