基于LCC并聯拓撲結構和無源控制的動態無線恒流充電方法

徐小野

基于LCC并聯拓撲結構和無源控制的動態無線恒流充電方法

徐小野

（深圳職業技術學院 智能科學與工程研究院，廣東 深圳 518055）

文章提出一種用于動態無線充電的LCC并聯拓撲結構和PI加無源控制（PI-PBC）恒流控制算法．LCC并聯拓撲結構可以使動態充電過程中的發射和接收線圈有比較穩定的互感，再結合PI-PBC控制算法，實現接收端更高更平穩的功率輸出，從而提高動態無線充電過程中電池的充電效率和充電穩定性．該拓撲方法可以用于不同功率等級的動態無線充電平臺．

無線充電；電力電子；控制理論

傳統新能源汽車通過固定位插頭充電、更換電池及采用刷板刷塊的方式充電，這些方法或者存在安全隱患、或者影響工作效率．而新能源汽車的動態無線充電技術有充電可靠、安全、便捷等特點，近年來發展迅速．但現有的動態無線充電拓撲結構和控制算法很難保證在動態充電過程中的充電電壓和電流的穩定，這樣就降低了電動車運動過程中的充電效率和安全性，也達不到鋰電池恒流恒壓充電的要求．有很多高校和研究所都開始加入到無線充電技術的研究隊伍中，通過改變電路拓撲、優化線圈結構、調整控制算法等方式來增加系統的充電功率和提高充電效率，取得了不錯的動態無線充電效果[1-12]．本文在以有研究基礎上，提出一種用于動態無線充電的LCC并聯拓撲結構和PI-PBC恒流控制算法．

1 動態無線充電系統結構

1.1 總體結構

本文設計的動態無線充電系統如圖1所示，可以看出動態無線充電系統由發射端部分和接收端部分組成．發射部分由發射控制器和發射線圈組成，發射控制器內部包含濾波電路、全橋逆變器、諧振補償網絡及控制電路等；接收端裝在車上，一套能量接收設備由多個能量接收線圈和接收控制箱組成，接收控制箱內包含多個諧振補償電路、多個整流電路、BUCK電路及控制電路等．接收端接收到的高頻交流電通過整流電路轉化為直流電，再通過BUCK電路和控制電路的控制調整，獲得更大更穩定的輸出功率，輸出給負載．

1.2 線圈結構設計

動態無線充電線圈結構是根據實驗車的車體尺寸設計的雙矩形線圈，單個線圈由2個小的矩形線圈組成，并在線圈下方鋪3條磁芯，單個線圈的尺寸見表1．發射端線圈鋪設方式為每隔一個線圈寬度鋪設一個發射線圈，接收端采用2個線圈或4個線圈組成一個線圈組，如圖2所示．這種設計的線圈組可以在同樣電路參數下提高接收端的功率，并且保證原副邊線圈互感值的穩定，再通過DC/DC電路的控制，可以得到更高更穩定的功率輸出．

圖1 動態無線充電系統結構圖

表1 單個線圈的尺寸表

圖2 AGV動態無線充電接收線圈設計圖

采用設計的線圈結構，當接收端分別采用1個線圈、2個線圈組成的線圈組及4個線圈組成的線圈組時，通過ANSYS電磁仿真實驗，互感結果見表2．從結果可以得出2個線圈和4個線圈組成的線圈組不僅可以保持原副邊線圈互感值的穩定，還可以提高互感值．

表2 原副邊線圈ANSYS電磁仿真互感結果（μH）

1.3 電路拓撲結構

電路電子仿真軟件PLECS有仿真速度極快、操作簡單、仿真精度高等優點，用PLECS軟件做無線充電的電路電子仿真非常適合．圖3所示是在PLECS里搭建的一個基于LCC并聯的動態無線充電仿真模型，其中動態原副邊線圈感值數據由AHSYS線圈仿真獲得，再將離散的點曲線擬合，獲得動態過程中互感的函數，其中所選元器件參數見表3．

2 系統模型與控制算法

即使采用多個接收線圈，原副邊的耦合在仿真過程中是相對穩定的，但實際情況下一定是有一定波動的，并且為了提高輸出功率，一定要控制DCDC電路的前段電壓來提高輸出功率，DCDC電路原理如圖4所示．本發明采用的控制方法是在控制外環采用PI控制負載電流，內環控制采用無源控制方法控制DCDC電路的前段電壓值．

表3 動態無線充電原副邊元器件參數表

圖3 2個接收線圈的電路仿真模型

圖4 DCDC電路圖

忽略寄生參數，描述動態無線充電DCDC電路狀態平均模型的微分方程模型如下：

其中C1、C2和分別表示輸入電容、輸出電容和電感；u1、u2、i和i分別表示輸入電容器電壓、輸出電容器電壓、電感器電流和輸入電流；是電路的輸出負載電阻值．

圖4所示的外環DCDC輸入電壓控制利用PI控制算法，如公式2和3所示．

內環的電流控制利用利用無源控制算法來給定DCDC電路IGBT的PWM波形，如公式4所示．

其中為DCDC電路IGBT的占空比；是電路的虛擬阻抗．

3 仿 真

本發明分別做了采用1個接收端、2個接收端并聯和4個接收端并聯的動態無線充電仿真，控制電路分別采用開環、PID控制和PI加無源控制方法來控制DCDC電路前端電壓及負載充電電流的穩定，具體仿真結果如圖5～9所示．

圖5和圖6是在DCDC控制電路分別采用開環、PID控制和PI加無源控制方法來控制負載的電流和DCDC電路前端電壓，源邊輸入電壓是200V，從仿真結果可以看出，當開環不控制的時候，輸出電壓和電流都很低，也有一定的波動；采用PID控制策略時，電壓和電流可以提高，但波動較大；而采用PI加無源控制方法時，既可以控制提高負載電壓和電流，又能保持系統的穩定．

圖5 采用不同控制方法時負載電流

圖6 采用不同控制方法時負載電壓

圖7和圖8分別展示了1個接收線圈，2個接收線圈組和4個接收線圈組的動態無線充電仿真負載電阻的動態電流值和電壓值，控制方法都采用PI加無源控制，從圖中可以看出3條曲線都是平穩變化的，驗證了控制方法的有效性；當接收線圈從1個、2個一組到4個一組，清晰的看出負載的電流和電壓值越來越趨于平穩，驗證了在動態無線充電過程中采用多個接收線圈的有效性，并且提高了負載的充電功率．

圖7 不同數量接收線圈動態無線充電負載電流

圖8 不同數量接收線圈動態無線充電負載電壓

圖9展示了1個接收線圈，2個接收線圈組和4個接收線圈組的動態無線充電仿真時DCDC電路的前端電壓的動態曲線圖，仿真所給定的DCDC前端電壓值為400 V，控制方法都采用PI加無源控制，從圖中可以看出3條曲線變化都在控制要求范圍內，驗證了控制方法的有效性；當接收線圈從1個、2個一組到4個一組，也可以清晰的看出DCDC電路的前端電壓越來越趨于平穩，并在采用4個接收線圈組的時候，很好穩定在400 V附近，偏差非常小，驗證了在動態無線充電過程中采用多個接收線圈組方法的有效性．

圖9 不同數量接收線圈時BUCk前端電壓

4 結 論

本文提出的動態無線充電PI結合無源控制算法，可以控制提高負載的充電電壓和電流，使得充電電壓和電流平穩變化，提高功率的情況下，又能保證負載充電過程中的穩定性；本文提出的在動態無線充電過程中采用LCC并聯的方案有效的提高了原副邊線圈互感的平穩性，在電路仿真的結果也可以看出，在動態無線充電過程，提高了DCDC前端電壓和負載電流的平穩性，滿足了動態運動過程中提高充電功率和恒流充電的要求；本文開發的動態無線充電LCC并聯和PI加無源控制算法也可以擴展到其他功率等級的動態無線充電系統．

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Dynamic Wireless Constant Current Charging Method Based on LCC Parallel Topology and PI-PCB Control

XU Xiaoye

（）

The paper proposes a parallel topology of LCC for dynamic wireless charging and a constant current control algorithm combining the passivity-based proportional and integral control(PI-PBC)The LCC parallel topology can make the transmitting and receiving coils have a relatively stable mutual inductance during the dynamic charging process. Combined with the PI-PBC control algorithm, a higher and more stable power output at the receiving end is realized. Thereby improving the charging efficiency and charging stability of the battery in the dynamic wireless charging process. The topology and method can be used on dynamic wireless charging platforms of different power levels.

wireless charging; power electronics; control theory

TM724

A

1672-0318（2022）03-0027-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2022.03.004

2022-02-22

徐小野，男，山東膠南人，碩士，助理工程師，研究方向：新能源車靜態和動態無線充電．

（責任編輯：王璐）