電動汽車恒壓恒流充電系統設計

作者/劉瓊、湯坤、田會峰，江蘇科技大學電氣與信息工程學院

電動汽車恒壓恒流充電系統設計

作者/劉瓊、湯坤、田會峰，江蘇科技大學電氣與信息工程學院

無線電能傳輸系統(WPT)不同的拓撲具有不同的輸出電壓、輸出電流特性，本文提出了一種可切換諧振補償拓撲結構，可實現電動汽車恒流恒壓充電。對原、副邊線圈建立互感耦合模型，分析得出負載動態變化時可實現恒流恒壓輸出。撘建仿真模型和實驗平臺，驗證了電路分析的正確性。實驗驗證了當補償拓撲為LCL—S時，可實現電動汽車恒壓充電；當補償拓撲為LCL—P時，可實現電動汽車的恒流充電。

電動汽車；無線充電；恒壓恒流；策略

引言

無線電能傳輸技術是基于電磁場耦合技術，綜合了高頻變換技術、電力電子變化技術、電磁感應技術，利用現代控制理論和方法，使能量從原邊到副邊隔空傳輸，其與傳統的有線充電方式相比具有供電安全靈活、可靠性高、無機械磨損以及無接觸損耗等優點[1—2]。電動汽車充電策略有恒流充電、恒壓充電、恒流恒壓充電等多種方式。恒流充電是充電過程中電流保持恒定的一種充電策略，容易造成蓄電池過充，縮短使用壽命。恒壓充電是充電過程中電壓保持不變的一種充電策略，該方法雖不會引起過充，但是會出現充電不足現象[3]。恒壓恒流充電綜合恒流充電和恒壓充電的優點，不僅可以延長電池的使用壽命，而且可以實現對電池的充分充電。目前基于無線電能傳輸的電動汽車無線充電策略多為恒流充電或者恒壓充電，本文提出了一種可切換補償拓撲實現電動汽車的恒流恒壓充電。當系統補償拓撲為LCL—P時，可實現恒流充電；當系統補償拓撲為LCL—S時，可實現恒壓充電。

1. LCL-S補償拓撲恒壓輸出原理

電動汽車無線充電系統采用的LCL—S補償拓撲，如圖1所示，圖中UAB是逆變器的輸出電壓，If是逆變器的輸出電流，Lf是補償電感，Lp是原邊線圈電感，Ip是原邊線圈流過的電流，Cp是原邊補償電容，Ls是副邊線圈電感，Cs是原邊補償電容，Is是副邊線圈流過的電流。

圖1 LCL—S補償拓撲電路圖

對其建立互感等效模型，得到圖2所示，當Lf= Lp 時原邊補償網絡可在固定角頻率0ω處諧振，因為Lf與Cp構成并聯諧振，可得，當副邊諧振網絡諧振時，可得URL=ω0MIp， 其中URL為負載兩端電壓。將Ip帶入求公式中，可得。由上述推到可知，當系統參數確定后，系統輸出電壓恒定不變，與負載大小無關，可實現電動汽車恒壓充電。

圖2 LCL—S等效電路圖

2. LCL-P補償拓撲恒流輸出原理

LCL—P補償拓撲電路圖，如圖3所示，圖中UAB是逆變器的輸出電壓，If是逆變器的輸出電流，Lf是補償電感，Lp是原邊線圈電感，Ip是原邊線圈流過的電流，Cp是原邊補償電容，Ls是副邊線圈電感，Cs是原邊補償電容，Ic是系統輸出電流。對其建立互感等效模型，如圖4所示。

圖3 LCL—P補償拓撲電路圖

圖4 LCL—P等效電路圖

3. 可切換補償拓撲分析

圖5 可切換拓撲示意圖

上述分析表明，當系統諧振補償拓撲為LCL—S時，系統可實現恒壓充電；諧振補償拓撲為LCL—P時，系統可實現恒流充電，可切換諧振補償拓撲如圖5所示。圖中，Edc是逆變器直流側電壓，VT1～VT4是開關管，Cf是濾波電容。K1、K2是副邊加入的切換開關，當K1斷開，K2位于1接觸點時，補償拓撲為LCL—S，可實現恒壓充電；當K1閉合，K2位于2接觸點時，補償拓撲為LCL—P，可實現恒流充電。

4. 仿真和實驗驗證

4.1 仿真驗證

在MATLAB/Simulink中構建無線充電電路。因為蓄電池在充電過程中電池等效內阻是在逐漸變化的，故仿真過程中，在0.15，0.25s處使負載突變，電阻由30Ω突變到15Ω，再突變到10Ω。系統主要參數，如表1所示，仿真波形圖，如圖6所示。圖6（a）是LCL—P的仿真波形圖，從中可看出突變前后電流穩定在同一值，實現了恒流輸出。圖6（b）是LCL—S的仿真波形圖，從中可以看出，突變前后電壓穩定在同一值，實現了恒壓輸出。

表1 系統主要參數表

圖6 仿真波形圖

4.2 實驗驗證

為了驗證本文結論的正確性，搭建了相應的實驗平臺。實驗平臺負載選用的是4節12V，100Ah的蓄電池，將其串聯作為負載，原副邊線圈的距離是14cm。

圖7是恒流充電階段實驗波形圖，其中圖7（a）顯示電池端電壓Us=52.6V，充電電流Ic=6.1A；圖7（b）顯示端電壓為Us=61.8V，充電電流Ic=6.0A，可得在電池電壓增加過程中，充電電流保持恒定，符合恒流充電階段特點。

圖8是蓄電池的恒壓充電階段實驗波形圖，圖8（a）顯示電池端電壓Us=61.1V，充電電流Ic=5.5A，圖8（b）顯示電池端電壓Us=61.5V，充電電流Ic=1.3A，從圖中可看出，在充電過程中，充電電流不斷減小，端電壓基本不變，符合恒壓充電特點，實現了蓄電池的恒壓充電。

圖7 恒流充電實驗圖

圖8 恒壓階段實驗波形圖

5. 結語

本文分析了LCL—S和LCL—P補償拓撲的性質，在此基礎之上提出了一種可切換諧振補償電路，其可實現恒流恒壓輸出，進而可實現電動汽車的恒流恒壓充電，并進行了仿真和實驗驗證。

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