基于双边LCL与LCC混合补偿的电动汽车恒流恒压无线充电系统的研究

纪鑫哲 周琬善 刘久付 潘生云 孔 放

基于双边LCL与LCC混合补偿的电动汽车恒流恒压无线充电系统的研究

纪鑫哲 周琬善 刘久付 潘生云 孔 放

（河海大学能源与电气学院，南京 211100）

为延长无线充电汽车中蓄电池的使用寿命，提高充电效率和速度，满足电池充电的过程先恒流充电到一定电压后再恒压充电的要求，本文从电路的本质属性出发，分析了双边LCC恒流输出和双边LCL恒压输出特性，研究了对电池恒流恒压充电的方法，并且设计了在切换状态后，可以保持输出电流和电压处在同一个谐振频率位置的充电电路。在Simulink中仿真，观察输出电流电压特性，给出了一套可以实现双边LCC恒流输出和双边LCL恒压输出功能的参数，同时研究了本方案的传输功率和传输效率。

无线充电；双边LCL；双边LCC；恒压恒流

0 引言

近年来，电动汽车具有的清洁、节能、无污染等特点使其较传统能源汽车而言优势明显。因此大力发展使用电动汽车，可以加快替代传统能源汽车，减少汽车的尾气排放，防止大气污染。然而，目前电动汽车的主要充电方式类似于特斯拉的有线接触充电，具有充电设备容易老化、充电人员有触电的危险、不便使用等缺点[1]，而且由于受到电池容量的限制，电动汽车的续航里程短，无法满足人们的需求。随着无线充电技术的兴起，基于磁共振的电动汽车无线充电技术受到越来越多的关注[2]。相比于有线充电，无线充电操作方便，便于维护，安装于十字路口等场合，可以有效提高电动汽车的里程数；同时，与电耦合式相比，磁耦合对人体影响 小[3]，所以磁耦合式的无线充电方式是当下市场主流。1997年，奥克兰大学与康稳公司合作开发了全球第一辆无线充电大巴[4]。韩国高铁研究院的研究成果实现了在轨道交通中无线充电距离为5cm的条件下充电效率达到82.7%[5]。2017年，高通公司在法国实现了一辆小型电动箱式货车行进过程中的无线充电，充电功率20kW[6]。国内的多个研究机构及大学对磁共振无线充电应用的研究也取得了可观的成果。国内的东南大学设计了次级DC-DC稳压电路满足电动汽车无线电能传输（wireless power transfer, WPT）系统恒压充电的要求[7]；2016年广西电力科学院建设了一条长33m的无线充电路段，实现了30kW的功率充电[8]。2018年，中国电科院在河北省张北县建成了一条百米级的无线充电路段，可以实现电动汽车的移动充电，且在20kW功率充电条件下，效率可达81%[9]。这些理论和工程研究都对WPT系统在电动汽车中的应用具有指导意义。虽然无线充电的电动汽车研究在国家政策和社会的需求下取得了可观的成果，但其商用性、效率和安全等方面仍然需要不断探索。

电容在补偿网络结构中有SS、SP、PP、PS 4种基本结构，其中S和P分别表示电容在电路中的串联和并联。然而，这4种基本补偿网络受负载影响较大，在轻载时，功率传输效率会大幅下降[10]。为了减少电池充电时间同时延长电池使用寿命，防止恒流充电导致过充，恒压充电电池欠电压等影响，对于车载电池采用先恒流充电，一段时间后再对其进行恒压充电。文献[11]设计了基于LCL-LC/LCL混合补偿的电路结构，推导不同数学模型以及负载特性，分析了效率、电流/电压增益与负载电阻的关系。文献[12]搭建了一套实验平台，实现了线圈距离在20cm条件下，输出功率为1kW，传输效率为92%的成果。文献[13]利用二端口网络对双LCL建立模型，给出了一套效率可观的参数配置，可以实现给电池先恒流充电再恒压充电的目的。本文系统地对双边高阶补偿网络LCC和LCL的结构进行理论分析，研究其应用在无线充电中恒压恒流的输出特性及其在电动汽车中的应用。

1 谐振网络双边LCC与双边LCL切换实现恒压恒流输出的原理分析

本节从电路角度研究不受负载影响的恒流恒压原理并作推导。系统去耦等效电路如图1所示。

图1 系统去耦等效电路

1.1 恒流双边LCC原理分析

开关S1、S2断开时是双边LCC状态，设电压源电压为s，此时满足

消除中间变量且电路谐振有

联立代入有

1.2 恒压双边LCL原理分析

开关S1、S2闭合时是双边LCC状态，设电压源电压为s。LCL补偿电路与双边LCC共用一套电路结构，故参数一致，且切换时谐振频率不应该改变。因此在满足式（1）—式（3）的条件下还满足

联立式（6）—式（8）得

若

则输出恒定电压

在实现恒流恒压输出的前提下，还要保证在切换过程中充电电流的稳定性，所以有

综上所述，只要电路拓扑结构满足式（3）、式（4）和式（10）与式（12）即可在实现恒压恒流输出的前提下切换开关，保证系统在谐振时谐振频率不变，充电电流稳定。

2 双边LCC向双边LCL补偿切换方案

根据电池充电的机理，即先进行恒流充电在电池达到额定的控制电压后改用恒压充电，因此需要先测定电池电压，再通过单片机最小系统以双边通信的方式控制开关（继电器）的闭合与断开。设计电路如图2所示。

图2 高阶补偿电路切换方案设计

如图2所示，P1为电池充电口，提供恒定的充电电流或恒定的充电电压，P2为单片机AD模块采样接口，由于无线充电电压较高，为了满足单片机的AD值采样范围，需要满足1远大于2。

设电池切换电压为M，电池电压为m，P2口处电压为2，则满足关系如下

当m=M时，二次侧单片机最小系统通过红外发射器向一次侧红外发射信号，一次侧接收信号后和二次侧一起控制继电器闭合，双边LCC切换成双边LCL。根据前面推导，切换后，充电频率不会跳变。

3 仿真验证

基于上述分析，在Simulink和Electronics Workbench中搭建电路仿真模型，验证其正确性。

图3 总体电路结构

图4 LCC补偿结构电源输出功率

图5 LCC补偿结构电源输出电压

图6 LCC补偿结构电源输出电流

图7 LCC补偿结构充电功率

图8 LCC补偿结构充电电压

图9 LCC补偿结构充电电流

图10 LCC补偿结构恒流验证

图11 LCL补偿结构电源输出功率

图12 LCL补偿结构电源输出电压

图13 LCL补偿结构电源输出电流

图14 LCL补偿结构充电功率

图15 LCL补偿结构充电电压

图16 LCL补偿结构充电电流

图17 LCL补偿结构恒压验证

如图4—图6所示，LCC恒流充电的电源输出功率约为1 795W，电压为AC 220V，电流约为AC 20A；图7—图9为二次侧的参数情况，其中充电电压和电流分别约为AC 445V和AC 8.5A，充电功率约为1 764W，计算可得LCC恒流充电的效率高达98.3%。

在切换成LCL恒压充电后，如图11—图13所示，电压为AC 220V，电流约为AC 11.8A，电源输出功率变为487W；图14—图16为LCL充电的二次侧参数情况，可以测得二次侧的充电电压和充电电流分别为AC 140V和AC 7A，充电功率为473W，充电效率高达97.1%。

图10和图17是选取不同负载（以20W和50W为例）分别验证了双边LCC恒流效果和双边LCL恒压充电效果，其中恒流充电与恒压充电效果明显，两个图中的两条曲线完全重合，很好地验证了前面推导。在LCC切换到LCL状态后，充电功率明显下降，说明恒流充电比恒压充电的速度要快，符合电池充电模型。

在实际模型中，线路中存在导线损耗、漏磁通等功率损耗，但预计实际充电效率仍然可以达到95%左右，高于目前普遍对电动汽车无线充电研究的90%，同时避免了传统充电方式双边谐振频率会发生跳变、产生谐波、影响充电质量的问题。在LCC切换成LCL之后，电流和电压虽然发生跳变，但仍然符合实际电池充电过程模型。

4 结论

本文对电动汽车无线充电的充电结构进行了研究，提出了一种基于双边LCC和双边LCL切换的恒流恒压充电结构设计。在运用该结构进行充电时，电压/电流满足相关电动汽车无线充电技术规范。在充电过程中，只需要切换一次开关即可实现目的。同时，在切换后，充电频率不发生跳变，使得充电过程具有平稳性。从电路结构和充电效率来看，为今后电动汽车无线充电提供了一种高效、实用的充电方式，具有十分广阔的应用前景。

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Research on constant current and constant voltage wireless charging system of electric vehicle based on hybrid compensation of bilateral LCL and LCC

JI Xinzhe ZHOU Wanshan LIU Jiufu PAN Shengyun KONG Fang

(College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 211100)

In order to extend the service life of wireless charging in the car battery, improve the charging efficiency and speed, meet the battery charging process of constant current charge first to a certain voltage constant voltage charging, in this paper, starting from the essential attribute of circuit, analyzes the bilateral LCC constant current output and bilateral LCL constant voltage output characteristic, studied the method of constant current constant voltage charging battery, and designs the after switching state, can keep the output current and voltage in same resonant frequency location of the charging circuit.In Simulink, the output current and voltage characteristics were observed, and a set of parameters which could realize the bilateral LCC constant current output and bilateral LCL constant voltage output weregiven. Meanwhile, the transmission power and efficiency of the scheme were studied.

wireless charging; bilateral LCL; bilateral LCC; constant current and constant voltage

2020-06-21

2020-07-31

纪鑫哲（2000—），男，吉林省松原市人，本科，研究方向为电力系统及其自动化。