郎文文 何家房 李振杰

摘要：為降低無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線通信的依賴，并且實(shí)現(xiàn)負(fù)載的不同充電需求，本文提出基于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)通信型原邊控制方法。首先，采用T型二端口網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)了基于原邊電氣參數(shù)的充電電流和充電電壓辨識(shí)模型。其次，設(shè)計(jì)了用于恒流/恒壓充電的閉環(huán)控制器，采用電路仿真分析了工作性能;設(shè)計(jì)了具有較強(qiáng)抗偏移性能的DD型磁耦合機(jī)構(gòu)，采用磁場(chǎng)仿真分析了耦合特性。最后，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所提方法的可行性。

關(guān)鍵詞：無(wú)線電能傳輸，雙邊LCC補(bǔ)償，無(wú)實(shí)時(shí)通信，恒流/恒壓充電

1. 引言

雖然傳導(dǎo)式充電成熟度高、應(yīng)用廣泛，但存在接口摩損與老化、手動(dòng)操作繁瑣、漏電觸電隱患以及易受天氣環(huán)境影響的問(wèn)題。2007年，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)助理教授Marin Soljacic及其研究團(tuán)隊(duì)在《Science》期刊上提出基于四線圈結(jié)構(gòu)的磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)，以空間磁場(chǎng)作為能量傳輸載體并且借助諧振補(bǔ)償和電能變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸[1]。較之于傳統(tǒng)的磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)，磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)具備傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸功率大以及傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

實(shí)際應(yīng)用中，電池充電過(guò)程中等效負(fù)載電阻動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致充電電流和充電電壓波動(dòng)，有必要采用閉環(huán)控制確保無(wú)線充電系統(tǒng)的穩(wěn)定且可靠恒流/恒壓充電性能。閉環(huán)充電控制方法主要包括原邊控制、副邊控制。其中，副邊控制采用的電路包括DC-DC變換器以及有源整流電路。文獻(xiàn)[4-5]采用PI控制器調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓充電，缺點(diǎn)在于接收端的體積、成本和損耗較大，原邊控制采用的電路包括DC-DC變換器和全橋逆變器，并且控制方法分為充電信息反饋型與原邊反饋控制型。

a） . 充電信息反饋型，依賴Wi-Fi、Bluetooth與ZigBee等無(wú)線通信方式實(shí)時(shí)交互充電信息。通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的工作頻率實(shí)現(xiàn)恒壓/恒流充電，缺點(diǎn)在于系統(tǒng)工作頻率偏移諧振頻率時(shí)無(wú)功功率較大并且系統(tǒng)效率較低。

b）. 原邊參數(shù)估計(jì)型，僅依賴于原電氣參數(shù)估計(jì)充電和充電電壓，避免無(wú)線通信模塊存在的延時(shí)以及強(qiáng)磁環(huán)境下易受干擾的問(wèn)題。根據(jù)發(fā)射線圈中諧振電流與補(bǔ)償電容端電壓之間關(guān)系估計(jì)充電電壓，采用PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的移相角度實(shí)現(xiàn)恒壓充電，缺點(diǎn)在于相位差測(cè)量精度影響充電電壓精度。

本文旨在拓展無(wú)線充電系統(tǒng)的多場(chǎng)合適應(yīng)性，以不依賴于控制級(jí)無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)充電控制作為切入點(diǎn)，提出基于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)通信型原邊控制無(wú)線充電系統(tǒng)，并且深入地研究其電路拓?fù)浜凸ぷ髟怼?/p>

2. 電路拓?fù)渑c理論分析

2.1 電路拓?fù)?/p>

本文提出的基于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)線充電系統(tǒng)電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中，發(fā)射端電路由直流電壓源（Ubus）、全橋逆變器（Q1～Q4）、LCC補(bǔ)償拓?fù)洌↙p、Cp、L1、C1）組成;接收端電路由LCC補(bǔ)償拓?fù)洌↙s、Cs、L2、C2）、整流橋（D1～D4）以及等效負(fù)載電阻（Ro）組成。同時(shí)，全橋逆變器的輸出電壓為us，流過(guò)Lp和L1的電流分別為ip和i1，M為磁耦合機(jī)構(gòu)的互感值，流過(guò)Ls和L2的電流分別為is和i2，充電電流和充電電壓分別為Io和Uo。

2.2 理論分析

結(jié)合圖1所示雙邊LCC補(bǔ)償?shù)幕ジ心Ｐ?，建立圖2所示等效解耦電路模型，據(jù)此推導(dǎo)原邊電氣參數(shù)與充電電流和充電電壓之間關(guān)系式。

由式（16）可知：kQ與磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，并且設(shè)計(jì)初期應(yīng)合理取值。發(fā)射線圈和接收線圈中諧振電流i1（t）和i2（t）的相位差φ12與諧振狀態(tài)相關(guān)并且取值范圍為0～π。kQ一定且φ12=90°時(shí)，傳輸效率ηmag最大。i1（t）和i2（t）的有效值I1_rms和I2_rms滿足式（14）時(shí)，ηmag最大。

3.2 電路仿真

PLECS仿真軟件中搭建的無(wú)線充電系統(tǒng)電路模型如圖5所示，主要包括三部分：主電路部分、充電電流/充電電壓預(yù)測(cè)部分以及雙閉環(huán)控制器部分。其中，基于PI的雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了最終的恒流/恒壓充電。

結(jié)合圖5所示電路模型，恒流充電和恒壓充電的閉環(huán)仿真波形如圖6所示?？芍壕秃懔鞒潆姸?，等效負(fù)載電阻由13 Ω變到18 Ω時(shí)，采用PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的移相角度，全橋逆變器的輸出電壓us改變，實(shí)現(xiàn)3 A充電。就恒壓充電而言，等效負(fù)載電阻由30 Ω變到90 Ω時(shí)，采用PI控制器調(diào)節(jié)全橋逆變器的移相角度（即輸出電壓us），實(shí)現(xiàn)54.6 V充電。顯然，閉環(huán)仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提無(wú)通信型原邊控制方法的可行性與合理性。

4. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提方法，做了圖7所示仿真。等效負(fù)載電阻Ro與移相角度α、系統(tǒng)效率η之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示?？芍篟o變化時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)α實(shí)現(xiàn)了恒流恒壓充電。

結(jié)論：針對(duì)無(wú)控制級(jí)雙邊通信且接收端結(jié)構(gòu)緊湊化的需求，提出基于雙邊LCC補(bǔ)償?shù)臒o(wú)通信型原邊控制無(wú)線充電系統(tǒng)，拓展其多場(chǎng)合適用性。建立基于原邊電氣參量的充電電流和充電電壓辨識(shí)模型，采用DD型磁耦合機(jī)構(gòu)確保強(qiáng)抗偏移的基礎(chǔ)上，PI控制器實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化時(shí)恒流/恒壓充電。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證所提方法的可行性。

參考文獻(xiàn)

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