基于蓄電池的快速無線充電技術仿真分析

錢杭 權家樂 王家旭

摘? 要：無線充電技術通常在供電電源端和用電設備端分別安裝能量發射線圈和能量接收線圈，實現能量的轉換，完成電能的無線傳輸。其具有安全，日常維護少和操作簡便等優點。文章介紹了一種可用于蓄電池的大功率快速無線充電系統，分析了該系統的工作原理，制定了雙閉環的控制策略，并通過仿真進行了驗證。

關鍵詞：無線充電;蓄電池;雙閉環控制;仿真分析

中圖分類號：TM912? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

無線電能傳輸技術解決了傳統插拔式充電方式所面臨的接口限制、安全和便利性差等問題[1-2]，對于蓄電池這種需要進場進行充電的電源設備而言，與傳統充電方式比較，能夠較好地避免了充電接口的磨損。增加了設備的使用壽命。

另一方面，無線充電技術在供電電源端（原邊）和被充電設備端（副邊）沒有電氣連接，采用電磁能互相轉換的方式實現電能的無線傳輸，電氣隔離的方式很好地避免了原邊和副邊的相互干擾。

本文對該無線充電的基本原理和其控制策略進行分析研究，提出了一種在系統原邊進行雙閉環控制的控制策略，該策略不僅能夠實現對充電電流的精確控制，還能保證原邊逆變器軟開關的實現，提高系統的傳輸效率[4]。

2 原理與設計

2.1 系統電路原理分析

該無線充電系統的總體結構框圖如圖1所示。系統原邊包含整流電路、DC/DC變換電路、高頻逆變電路、LCC諧振電路和主線圈（發射能量）;副邊包含主線圈（接收能量）、LCC諧振電路、變壓器、整流電路和濾波電路。

根據圖1所示總體結構框圖可知，系統通過原副邊的主線圈實現電能的無線傳輸。本文中，原副邊的主線圈采取相同結構尺寸，因此原副邊主線圈自感相同。

圖2中的L1、L2分別為原邊、副邊主線圈自感，Lf1、Lf2分別為原邊、副邊諧振電感，Cf1、Cf2分別為原邊、副邊諧振電容，C1、C2分別為原邊、副邊補償電容，M為原-副邊主線圈耦合電感，Cdc1、Cdc2為原邊DC/DC變換器輸入和輸出電容，Lout為副邊濾波器電感，Cdc3、Cdc4為副邊濾波器電容。

根據對原-副邊LCC諧振電路分析，可以得出在諧振點下原邊逆變器的輸出電壓和電流的基波分量和高頻分量[3]。在基波下，逆變器的輸出電壓和電流的幾波分量可表示為：式中：ILf1為原邊逆變電路輸出電流的基波分量;ILf2為副邊LCC諧振網絡輸出電流的基波分量;？棕為諧振角頻率;UAB為原邊逆變電路輸出電壓基波分量有效值;Uab為副邊LCC諧振網絡輸出電壓基波分量有效值。

由于系統中高次諧波電流的影響，導致原邊逆變電路的輸出電流相位滯后于輸出電壓相位，其相位差為：

根據上述基頻和高頻特性分析，可得系統LCC諧振網絡傳輸功率為：

2.2 線圈結構設計

無線充電的主線圈的設計對于無線充電系統具有重要作用，決定了其電能傳輸效率和其所能進行電能傳輸的距離。

主線圈一般有單極性和雙極性兩種結構類型，單極性結構一般有方形平面線圈、圓形平面線圈、圓形螺旋線圈以及方形螺旋線圈，在相同尺寸、匝數和傳輸距離下，圓形平面線圈的互感最大，也就是說其傳輸效率最高。雙極性線圈一般采用雙矩形線圈（DD形），雙極性線圈的自感量、耦合系數都比單極性線圈要大，但其尺寸也相應較大，適用于大功率無線充電系統。在小功率無線充電系統中，通常選用圓形平面線圈。

本系統中主線圈采用的是圓形平面線圈結構，并在一側放置磁芯，提高磁通量進而提高自感，同時能夠有效放置外界的干擾。線圈規格為直徑為20cm的平面圓形線圈，傳輸距離為4cm。通過ANSYSMaxwell仿真軟件構建線圈模型，經仿真可得原副邊主線圈自感分別為82.9？滋H、81.3？滋H，互感為38？滋H。

3 控制策略設計

系統中原邊DC/DC變換器的控制策略的設計采用雙閉環控制策略，在保證副邊在穩定的充電功率狀態下，同時還需保證原邊逆變器實現軟開關。根據[4]可知實現原邊逆變器軟開關的條件是[4]：

采用電流外環和電壓內環的雙閉環控制策略，其中外環工作于恒流模式，保證副邊輸出的充電功率（充電電流）穩定不變，內環起到電壓跟隨的作用，保證DC/DC變換器的輸出電壓（逆變器直流側電壓）高于副邊LCC諧振網絡的輸出電壓值，從而保證原邊逆變器軟開關的實現。

4 仿真分析

4.1 仿真系統構建

本文采用PLECS仿真軟件構建仿真模型，PLECS是一個用于電路和控制結合的多功能仿真軟件，尤其適用于電力電子和傳動系統。

本系統原邊采用單向220V作為電源輸入，主線圈的諧振頻率為85kHz，充電功率約為2400kW，充電電壓為28V，充電電流約為85.7A。其它關鍵仿真參數如表1所示，仿真示意圖如圖4所示。

4.2 仿真結果分析

根據上述仿真參數進行仿真，由于涉及的充電功率為2400W，所以設定原邊DC/DC變換器的電感電流為8A即可滿足要求。系統仿真的相關波形如圖5～圖7所示。

根據圖5可知，原邊DC/DC變換器電感電流在雙閉環控制策略下穩定在8A。

從圖6中的逆變器輸出電壓電流波形可以看出，在逆變器開關管關斷時刻的電流為正值，滿足式（4）中的逆變器軟開關的實現要求。

圖7中的仿真波形顯示，該系統能夠為28V蓄電池提供穩定的充電電流，其充電電流約為86.4A滿足設計指標要求。

5 結論

本文設計的無線充電系統適用蓄電池的快速充電，由于系統副邊輸出特性是恒流源特性，因此可適用于多種電壓等級的蓄電池。通過仿真分析可以得出以下結論：

（1）其充電功率可通過原邊DC/DC變換器的電感電流進行控制，雙閉環PI控制策略具有良好的穩定性。

（2）雙閉環控制策略可以在保證較高的充電功率的基礎上，保證原邊逆變器軟開關的實現，從而可以再減小系統的開關損耗。

（3）在系統原邊所采用的雙閉環PI控制策略盡管能夠取得較好的控制效果，但是其動態響應還有待提高。此外本仿真模型沒有考慮實際的電阻損耗和開關損耗等相關損耗模型，所以在實際情況下，充電電流會略低于仿真所得的充電電流。該仿真對實際無線充電平臺的設計具有較強的指導意義。

參考文獻：

[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，宋凱，等.電動汽車動態無線充電關鍵技術研究進展[J].電力系統自動化，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]錢杭，張立炎，陳啟宏，等.動態無線充電的軟開關及控制策略研究[J].電力電子技術，2019，53（1）：90-106.