基于雙LCC的電動汽車多階段恒流無線充電技術

作者 / 朱國平 匡洪海 張瀚超 王建輝 湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院(湖南 株洲 412000)

朱國平(1993-)，男，碩士，研究方向：新能源并網(wǎng)控制策略。

摘要：針對電動汽車無線充電多為恒流充電，且恒流充電對動力電池存在著較大損害的問題，提出了一種基于雙LCC的電動汽車多階段恒流無線充電技術。該技術將動力電池的充電階段劃分為若干個恒流充電階段，不同階段的充電電流不同，且剩余電量越多充電電流越小，進而使得動力電池的充電電流更接近于動力電池的最佳充電曲線，進而降低對動力電池的損害，延長動力電池的使用壽命。最后，通過仿真和實驗驗證了該技術的可行性。

0 引言

　　電動汽車作為一種新能源汽車，以其污染小、噪音低等優(yōu)點，得到國際和國內(nèi)社會的廣泛認可和支持，隨著社會的不斷發(fā)展和科技的不斷進步，電動汽車的充電方式也從傳統(tǒng)的有線充電模式向無線充電模式過渡^[1]。相較于有線充電方式，無線充電具有方便、安全、操作簡單及無機械磨損等優(yōu)點^[2]，得到廣泛關注和研究。但是，目前電動汽車的無線充電多為恒流充電，而恒流充電盡快可以較為快速的為動力電池補充能量，但是在充電的后期會造成電池嚴重的極化現(xiàn)象，進而縮短動力電池的使用壽命。針對這個問題，本文提出了基于LCC的電動汽車多階段恒流無線充電技術，隨著動力電池的電量的上升，減小動力電池的充電電流的大小，進而使得動力電池的充電電流較為接近動力電池的最佳充電曲線，進而可以減少對動力電池的損害，延長其使用壽命，降低電動汽車的使用成本，且可以降低動力電池的更換頻率，進而對環(huán)境更友好。

1 電動汽車無線充電技術原理

　　圖1為電動汽車無線充電系統(tǒng)框圖^[3]。三相交流電或者單相交流電經(jīng)工頻整流濾波電路和功率因數(shù)校正電路變換成直流電，經(jīng)高頻逆變電路變換成高頻交流電，注入到由諧振補償電路和原邊線圈構成的諧振網(wǎng)絡，在原邊線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場，副邊線圈在高頻交變磁場中感應出高頻交流電，經(jīng)諧振補償電路和整流濾波電路之后為電動汽車充電。

2 多階段恒流充電

　　多階段恒流充電示意圖如圖2所示，從圖中可以看出充電過程分為若干個階段，且從初始階段到最終階段電流是依次減小的，且電流越大，充電時間越短;電流越小，對應的階段充電時間越長。將動力電池的充電階段分的越多，動力電池的充電電流便越接近于最佳充電曲線，對電池的損害便越小，更有利于延長動力電池的使用壽命。若動力電池為鋰電池，最后階段的電流一般為電池組容量的0.05倍，當電池電壓達到截止電壓便可以停止充電。

3 雙LCC諧振補償拓撲

　　如圖3所示L₁是原邊線圈感值，L₂是副邊線圈感值，C₁、C_f1和L_f1是原邊補償電感和電容，C₂、C_f2和L_f2是副邊補償電感和電容，U_AB是逆變器的輸出電壓和U_ab是副邊補償拓撲的輸出電壓，M是原副邊線圈互感。i₁、i₂、i_f1和i_f2分別是線圈L₁、L₂、L_f1、L_f2的電流。

　　電動汽車無線充電系統(tǒng)中的磁路機構是一個松耦合變壓器，故可將圖3中的副邊電感電容折算到原邊[4]，得到如圖4所示的等效電路圖。為了簡化分析，忽略電感電容的內(nèi)阻，且只考慮逆變器輸出電壓的基波。定義松耦合變壓器的變比n為：

(1)

　　圖4中的變量可由公式(2)表達：

(2)

　　其中L_m為折算到原邊的勵磁電感。對于如圖2所示的高階系統(tǒng)，其諧振頻率有多個，本文重點研究LCC的電壓電流特性，不研究其頻域特性，故本文將系統(tǒng)的工作頻率設定為一個固定的諧振頻率。電路諧振狀態(tài)下，逆變器的輸出電壓和輸出電流是同相位的，由公式(3)可計算電路的諧振頻率。

(3)

　　此處的ω₀是補償電路的固有諧振角頻率，從式(3)中可看出角頻率只與電路中的電感電容有關，而與負載、原副邊的互感無關。下文設定的頻率均為固定的諧振角頻率。