【精彩论文推荐】中国科学院电工研究所 吉莉等:副边自动切换充电模式的电动汽车无线充电系统设计

随着能源的短缺以及环境污染的加剧，电动汽车成了各国大力支持发展的新能源交通工具，而充电站的建设问题成了制约其推广发展的瓶颈。无线电能传输（WPT）技术采用原、副边分离的松耦合变压器实现，具有便捷、可靠等特点，在最近几年得到了迅速发展。采用WPT技术为电动汽车电池进行无线充电，通常包括两个阶段：恒流（Constant Current，CC）充电和恒压（Constant Voltage，CV）充电。在充电初期采用恒流模式，电池电压迅速增加。当电池电压达到充电切换电压时，采用恒压模式充电，充电电流逐渐减小到接近于零，充电完成。在电动汽车应用中，为了增加续航里程，电池通常由较多的单体成组构成，这一特性导致电池的整体特性受限于其中的单体特性，如果单体电池受损，则在充电过程中需要及时对损坏的电池单体进行电压保护而迅速进入恒压阶段。通常，WPT系统的恒流或者恒压输出的切换是通过在电路系统中引入闭环负反馈控制来实现，通常需要无线通信措施及原边复杂控制手段的介入，副边将相应的控制信息反馈到原边，在原边电路逆变器前加入控制器调节输入电压、采用移相控制、改变系统工作频率点，或者改变补偿网络拓扑的方法达到与负载无关的恒压和恒流输出。不论在无线通信环节还是在原边的复杂控制环节均需要耗费时间而且在高磁和复杂环境下无线通信具有不稳定的特性，这将可能导致通信中断而切换失败。因此，如何能够保证电动汽车无线充电的过程中恒流向恒压模式的快速、平滑切换，且不需要借助通信等外在手段，对于保护电动汽车的电池、增强电动汽车的安全性等方面具有重要的意义。

为了解决该问题，本文提出了一种免去副边与原边之间的通信及原边的复杂控制环节，通过在副边切换谐振补偿网络的方法实现输出恒流与恒压自动切换，同时提出一种保障副边切换补偿网络时电池电压不发生跳变的副边谐振网络参数的设计方法并对所提出的切换方法和参数设计方法进行了验证。

基于电压源的无线电能传输系统等效电路结构如图1所示。其中，U_in为电源输入电压，I_in为输入电流，I_out为负载输出电流，U_out为负载输出电压，Z₁、Z₂和Z₃代表电感、电容、短路或开路。

图1  基于电压源的无线电能传输系统等效电路结构

根据电路理论，可以推导出负载侧输出为恒流或恒压时，参数Z₁、Z₂和Z₃之间的耦合关系。由推导可知，满足以上条件的方案可以有多种。

所提出的副边切换系统在设计时还必须满足的约束条件包括：

1）作为副边电路，Z₁为电感。

2）恒流阶段和恒压阶段的角频率必须保持一致。

为了实现副边在免通信及不需要原边参与的条件下完成充电模式的自动切换，则副边在恒流充电阶段和恒压充电阶段的系统谐振角频率必须保持一致。

3）切换时刻，负载电压保持恒定。

由于电池的充电特性，电池充电电压不能发生剧烈的跳变。如果电压急剧减小，电池将不能进行充电，导致充电的失败；如果电压急剧增加，将导致电池的过压充电，缩短电池的使用寿命甚至带来安全事故。因此，在切换时刻，必须保证电池充电电压的一致性。

根据前述的参数Z₁、Z₂和Z₃之间的耦合关系，为了减少开关个数及尽量简化谐振补偿网络结构，以如图2所示的电路结构进行恒流模式向恒压模式自动切换。

图2  无线充电系统结构图

其中原边的谐振补偿网络结构采用LCC结构，M为线圈间的互感，副边的谐振补偿网络结构在恒流阶段采用LCC结构，在恒压阶段采用S结构，副边引入两个开关S₁、S₂和一个补充电容C₂₃，对副边的谐振补偿结构在LCC和串联谐振补偿两种结构之间进行切换。ω为系统工作角频率，线圈间的互感M在电动汽车停稳并开始充电的过程中保持不变。

原边的谐振补偿网络中L₁₁和C₁₁组合符合推导的恒流输出结构，即原边线圈输出的电流恒定，仅与互感和谐振角频率有关。根据电磁感应定律，此时，副边的感应电压保持恒定。副边在开关S₁和S₂均闭合时，副边的补偿结构为LCC结构，参数C₂₁，C₂₂和L₂₁符合推导的恒流输出结构，此时，负载的充电电流恒定。当开关S₁和S₂均打开时，副边的补偿结构为串联谐振补偿结构，当L₂、C₂₂，C₂₃和L₂₁谐振于系统角频率时，负载的充电电压保持恒定。根据前述的系统设计的三个约束条件，可以推导得到系统参数的设计条件。

为了验证以上分析的正确性，搭建了一套恒流输出为8A、恒压输出为340V的WPT统。系统输入电压为220V，在充电的第一阶段，负载充电电流稳定在8A左右，电压由最小300V逐渐增加到最大340V，电池等效电阻变化范围为37.5Ω—42.5Ω，充电电流变化率为0.24%，基本保持恒定。充电的第二阶段，维持340V恒压充电，电流由最大8A逐步减小到最小电流，约为1.5A，电池的等效电阻变化范围为42.5Ω—226.7Ω，充电电压变化率为0.67%，基本保持恒定。当负载电压到达转换电压340V时，由恒流充电模式向恒压充电模式进行切换，在切换前和切换后的负载电压分别为340.26V和339.25V，变化率为0.3%。可以看出，系统在恒流充电模式向恒压充电模式切换时，负载电压波动很小，能够保障电池的正常充电。

为了减小开关S₁和S₂打开瞬间的电流、电压震荡，在电路中加入了电流传感器和过零监测电路，开关在开关支路电流过零时刻打开。开关切换的流程是：在电池开始充电之前，导通开关S₁和S₂，将谐振补偿网络结构设置为恒流充电模式，在副边控制系统监测到电池电压到达切换电压或者因为单体损坏等原因需要进入恒压充电模式时，开启开关支路的过零监测，当监测到开关支路电流为零时，由副边控制系统发出命令，打开相应的开关，即将谐振补偿网络结构转换为满足恒压充电的谐振补偿网络结构，电池开始恒压充电。

为了模拟实际电动汽车的充电过程，采用了一组力神16Ah磷酸铁锂电池的实际充电曲线作为对比，采用电子负载模拟电池的等效电阻，针对所提出的切换方法进行了一组充电实验，实验结果表明，采用所提出的切换方法能够快速、平滑地从恒流模式切换到恒压模式，且模拟的充电状态与电池组实际的充电状态相似。

本文提出了基于副边自动切换恒流/恒压模式的谐振补偿网络的切换方案，并且针对切换时刻负载电压恒定的限定条件，提出了一种副边谐振补偿网络参数的设计方法；并以LCC-LCC向LCC-S谐振补偿网络的自动切换为例，对所提出的设计方法进行了验证。但是在恒流阶段、恒压阶段以及在恒流向恒压切换过程中，电压和电流均存在较小的波动，这种变化是由于没有考虑系统内阻以及所配置的电容、电感参数和理论计算值存在误差所致。为了保持负载电压的稳定性，在后续的工作中，将研究在副边加入DC-DC环节对恒流/恒压自动切换进行实时控制的设计方法，以进一步提高系统的鲁棒性。此外，目前实验还处于实验室的低压模拟环境，不能较好的反应实际电动汽车运行时的复杂工况，以后将继续深入工作，将该拓扑应用于电池充电的实际应用中，以增强实验验证。