单位功率因数双LCC无线电能传输特性分析

王允建，苑立朋，孙萍，王立国

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454003)

0 引言

磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统的发射级电路与接收级电路没有电气连接，具有传输距离远、传输效率高、传输功率大等优点[1,2]，常用于汽车充电系统中。汽车动力蓄电池开始充电时为恒流模式，当充到电压达到阈值，系统切换为恒压模式[3]。所以，应用于汽车充电的无线传输系统必须有恒流和恒压输出功能且便于切换。

通常，WPT系统需要实时监测输出电流和电压数据反馈给原/副边控制器，然后再采用移相控制，增加DC-DC电路[4]，改变系统工作频率点等方式调节充电模式，这种被称为动态调节法。此方法调节精度高，控制速度快，但存在系统电路复杂，控制难度高的缺点。近年来研究较多的还有一种静态调节方法，即通过改变补偿网络的参数来调整充电模式。文献[5]提出了一种在接收级改变谐振补偿网络以完成充电模式的转换，整个切换过程不需前级参与控制，但需要在发射级进行功率因数矫正才能实现电压和电流的同相位。文献[6]提出通过引入电感补偿来抵消恒压模式下反映阻抗的容性部分，实现了发射级的单位功率因数，但引入电感内阻会对系统效率造成影响。文献[7]针对LCC-S结构，通过变补偿参数的方式实现了恒流/恒压和单位功率因数的参数匹配方法，提供了一种良好的思路。

本文在对磁耦合谐振式双LCC补偿网络传输特性分析的基础上，针对恒压模式下反映阻抗呈阻容性的特点，提出了一种变发射线圈补偿电容的方式，保证了发射级的单位功率因数，实现了电动汽车恒流/恒压的充电需求。

1 双LCC传输性能分析

基于双LCC补偿网络的电动汽车充电系统等效电路如图1所示。

1.1 正向恒流充电

定义Cpc为恒流充电时发射线圈补偿电容，发射级和接收级的LCC网络都配置为恒流输出，图1中元件参数关系为：

式(1)中ω0为谐振角频率。

接收级输入阻抗Zin2为阻性：

接收级等效到发射级的反映阻抗Zr为阻性：

发射级的输入阻抗Zin1为：

呈纯阻性，系统能够实现单位功率因数。

发射级工作在恒流模式，故发射线圈电流可用式(5)估算：

此时输出电流：

当接收线圈的内阻rs≈0时，系统实现恒流输出，所以在电路制作时应尽量减少耦合线圈的内阻。

此时可用下式估算输出功率：

则传输效率的估算值为：

1.2 正向恒压充电

定义Cpv为恒压充电时发射线圈补偿电容，发射级LCC配置为恒流输出，接收级LCC配置为恒压输出，图1中元件参数关系为：

接收级输入阻抗Zin2呈阻感性：

当忽略内阻时，反映阻抗Zr为：

呈阻容性，且容性部分与负载Ra无关[6]。

发射级的输入阻抗Zin1为：

呈阻感性，系统不能实现单位功率因数。此时需要将反映阻抗中的容性部分抵消掉。文献[8]通过在发射线圈串联附加电感来抵消反映阻抗的容性部分，实现了单位功率因数的目标，但是此方法增加了内阻，影响系统的效率。为了找到更合适的补偿措施，可以采用变发射线圈补偿电容的方式，使得变化之后的电容满足：

此时发射级输入阻抗变为：

由此可见，采用合适的发射线圈补偿电容Cp，可使输入阻抗为纯阻性。

接收级的输出电压为：

传输功率为：

传输效率的估算值为：

2.3 恒流转恒压切换模式

由前两节分析可知，具体的充电装置如图2所示：

图2 双LCC变参数补偿结构

图2中，充电开始后，开关S1接1端口，开关S2打开，进入恒流充电，此时检测输出电压的值，当达到电压阈值时，接收级控制开关S2闭合，进入恒压充电，同时将切换的信号传送到发射级，发射级接收到信号后将S1切到2端口，以调整系统的输入阻抗角。

2 仿真分析

2.1 恒流充电

仿真时网络参数配置为L1=L2=63.3μH，Lp=Ls=300μH，Cpc=10.7nF，C1=C21=40nF，r1=r2=0.1Ω，r1=r2=0.4Ω，耦合系数k=0.2，输入电压有效值为380V，f0=100kHz。仿真结果如图3、图4所示。

图3 不同负载时的输出电流与功率因数曲线

图4 不同负载时的传输效率曲线

图3表明输出电流随着负载增大略有减小，当负载由10～100Ω大范围变化时电流仅变化2.7%，基本实现恒流输出，且实现了单位功率因数。图4是在不同负载时的效率曲线。当负载较小时，其线路损耗较大，传输效率的估算值与其仿真实测值的对比曲线，由于近似计算中忽略了部分内阻，使得估算值大于实测值，但是变化趋势相同，验证了恒流模式下效率公式推导的正确性。

2.2 恒压充电

仿真时网络参数配置为Cpv=20.6nF，C22=80nF，其他参数同恒流模式。仿真结果如图5、图6所示。

图5 不同负载时的输出电压与功率因数曲线

图6 不同负载时的传输效率曲线

输出电压随着负载增大而缓慢增加，当负载由10～100Ω大范围变化时电压仅变化4.7%，基本实现恒压输出，且实现了单位功率因数。图6是在不同负载时，传输效率的估算值与其仿真实测值的对比曲线，由于近似计算中忽略了部分内阻，使得估算值大于实测值，但是变化趋势相同，验证了恒压模式下效率公式推导的正确性。

3 结语

本文为解决双LCC谐振网络在恒压充电模式下的功率因数下降问题，在对网络传输性能分析的基础上，提出了变发射线圈补偿电容的调谐方法，该方法在MATLAB仿真模型中得以验证。仿真结果表明在两种充电模式下发射级均实现了单位功率因数，验证了所提方法的有效性和效率估算推导的正确性。