基于LCL-S型ICPT系统的恒流输出分析与控制

2017-04-01国玉刚李超群崔纳新

电源学报 2017年2期

关键词：谐振线圈控制策略

国玉刚，李超群，崔纳新

（山东大学控制科学与工程学院，济南 250061）

基于LCL-S型ICPT系统的恒流输出分析与控制

国玉刚，李超群，崔纳新

（山东大学控制科学与工程学院，济南 250061）

针对电动汽车无线充电的需求，提出了一种兼顾调控效果与传输效率的恒流控制方法。针对LCL-S型的磁耦合谐振无线电能传输系统建立模型，对其进行工作特性分析，进而根据副边电流输出特性及传输效率特性曲线确定了系统高效运行的频率区间，将此区间作为系统恒流工作的调频区。并对比各种功率控制方式的优缺点，进而提出了变频控制与移相调压相结合的恒流控制策略。实验设计了PI闭环控制程序，验证了负载变化时的恒流控制效果。实验表明该控制策略基本实现了无静差、无超调的快速响应控制。

无线电能传输；ICPT系统；LCL补偿；恒流控制

为解决环境污染以及传统能源不断减少等问题，新能源产业应运而生并快速发展，尤其以混合动力汽车和纯电动汽车HEV/EV（hybrid electric vehicle/electric vehicle）产业发展较为迅速。作为电动汽车的动力来源，电动汽车充电技术在不断取得新的突破［1］。无线电能传输WPT（wireless power transfer）技术通过原边和副边线圈之间的耦合磁场或原边副边电板间的电场，以无接触的方式实现电能从电源传输到负载设备［2-5］，即磁场耦合电能传输ICPT（inductively coupled power transfer）和电场耦合电能传输ECPT（electric coupled power transfer）。由于电源和设备之间不存在直接的电气接触，WPT系统具有环境适应力强、安全、便捷、占地少等特点，极大地弥补了传统有线充电的缺点。

目前针对电动汽车用ICPT技术，国内外已有较多的研究成果。文献［6-8］对不同拓扑ICPT系统的建模、谐振补偿、参数配置等方面进行研究，以实现能效优化；文献［9-10］以ICPT系统副边输出电压进行恒压输出、提高负载适应性为目标，提出了变频、移相调压等控制策略，此外还可以在副边侧根据负载要求选择不同的后级功率变换拓扑进行控制，而不需要副边到原边的反馈回路［11］。但针对电动汽车动力电池无线充电的研究较少，对电动汽车恒压恒流充电的控制研究略有不足。

本文基于LCL-S型ICPT系统，通过建立模型，分析负载适应性。根据分析结果进而提出副边恒流输出的控制思想，以适应在动力电池恒流充电阶段电池内阻变化。

1 LCL-S型ICPT系统建模及特性分析

1.1 LCL-S型ICPT系统建模

本文研究的基于LCL-S型ICPT系统拓扑结构如图1所示。图中，原边采用LCL型谐振拓扑，副边采用传统的LC串联谐振拓扑。Uin为全桥逆变器输出电压，通过LCL原边谐振补偿网络产生电流Ip1；Us为副边感应电压；Lp和 Ls分别为原边一次侧、副边二次侧线圈，二者组成松耦合变压器；Cp为一次侧补偿电容，与Lp、Lp1组成LCL网络；Ip和Is分别为流过原、副边线圈的电流；R为负载端电阻。逆变器Q1-Q4将直流输入转换成高频方波电压，通过松耦合变压器传输能量到二次侧，即副边线圈产生感应电压通过整流滤波环节后供给负载。

图1 LCL-S型ICPT系统电路拓扑结构Fig.1 Topology of LCL-S type ICPT system

根据上述系统的电路拓扑，运用交流阻抗分析法建立等效模型，如图2所示。电感Lp1由铜丝绕在磁芯绕制而成。相比于松耦合变压器线圈可获得较大感量而内阻很小，故为简化分析忽略其内阻和补偿电容 Cp和 Cs的等效串联电阻 ESR（equivalent series resistance）。此外电路中整流部分与负载电阻以等效电阻RL代替，等效电阻与原来的负载电阻成正比例关系［12］。Rp和Rs分别为松耦合变压器原边线圈内阻和副边线圈内阻，M为两线圈互感。

定义逆变器工作频率为ω，则副边电路阻抗为

则副边在原边产生的反映阻抗为

图2 LCL-S型ICPT系统等效电路Fig.2 Equivalent circuit of LCL-S type ICPT system

此时，LCL-S传输网络的输入阻抗为

为提高传输效率减小损耗，须使逆变器输出电压和电流的相位相同，即使输入阻抗的虚部为0。文献［13］提出首先使考虑了反映阻抗的原边输入阻抗虚部为0，即达到谐振条件，使原边零相角频率与副边固有频率相等；然后根据指定的原边线圈电流与逆变器输出电流的放大倍数配置系统参数，得到较小的逆变器输出电流，从而降低器件应力与器件损耗，同时又能得到较大的原边线圈电流。

本文探究系统特性影响因素，暂不考虑原边逆变器输出电流对原边线圈电流的放大能力。故在满足需要的前提下，省去繁杂的参数配置进行特性分析与实验验证。使用的谐振频率为

此时副边阻抗和反映阻抗分别为

将式（4）和式（5）代入式（3），得到输入阻抗为

此时，系统输入阻抗为纯阻性负载，逆变器输出电压电流的相位差为0。逆变器可以实现零电压导通ZVS（zero voltage switch）。

当达到谐振条件时，副边输出电流为

由式（7）可知，负载电流与逆变器输出电压、原边电感、耦合系数、负载阻值有关。在谐振时，LCL-S型ICPT系统的电流增益表达式为

1.2 LCL-S型ICPT系统特性分析

定义负载品质因数Q=ω0Lp/RL，两线圈的耦合系数为。本文以LCL-S型ICPT系统为例，根据美国汽车工程师协会 SAE （society of automotive engineers）2016年5月发布的电动汽车非接触供电准则提要J2964要求，设定频率为85 kHz，频带为81.39～90 kHz，各元件参数如表1所示，且取耦合系数k=0.5。对此系统进行特性分析，得到了不同品质因数下的特性曲线。

表1 ICPT系统参数Tab.1 Parameters of ICPT system

图3给出了Q变化时LCL-S型ICPT系统的电流增益曲线。从图3可以看出，电流增益有2个峰值且偏离谐振点；当Q变大时，峰值也随之增大；但在85 kHz频带（81.39～90 kHz）电流增益基本与负载无关。图4为Q变化时LCL-S型ICPT系统的输出电流曲线。图中显示，输出电流有两个峰值，其中一个出现在谐振点处，且该峰值随着Q值的增大而增大；在谐振频率处，副边输出电流受品质因数Q的影响，Q越大输出电流越大。

图3 不同Q时，LCL-S型ICPT系统电流增益曲线Fig.3 Current gain curves of the LCL-S type ICPT system with different Q

图4 不同Q时，LCL-S型ICPT系统输出电流曲线Fig.4 Output current curves of the LCL-S type ICPT system with different Q

在谐振时，系统传输效率表达式为

2 LCL-S型ICPT系统恒流控制策略

常见的ICPT系统输出功率控制技术有变频控制、移相调压控制、副边DC/DC控制、谐振补偿网络控制等。这些控制方法各有优缺点，其中DC/DC控制精度高，调节范围较宽，但效率低、体积大、成本高；谐振网络补偿控制可获得最大传输功率，但是系统体积大、精度低；调压控制无需额外的硬件电路，但控制复杂，电压波形容易畸变，增大电磁干扰EMI（electromagnetic interference）；变频控制控制简单，但非线性较强，调节范围窄，影响传输效率［14］。

根据式（7）可知，谐振时副边输出电流由系统参数（耦合条件、原边线圈）、逆变器输出电压和负载阻值决定。根据式（7）并结合系统特性分析可知，要控制负载电流稳定输出可以通过调整逆变器输出电压或改变逆变器工作频率来实现。若以变频调节实现输出电流恒定，变频的范围要控制在大于谐振频率的一侧，使系统始终工作在感性区域，靠近软开关状态，减少器件的应力；即对应于图4中的单调调频区。不同Q时的系统传输效率曲线如图5所示。结合效率曲线分析，在图4的单调调频区，系统传输效率会随着频率升高而快速降低，为此可以把调频范围限制在较高传输效率区间，如85～90 kHz窄频带。根据图4曲线关系，假设Q为3.0，稳定输出电流1 A；当负载Q由3.0变为1.0时瞬间输出电流下降，此时在85～90 kHz调频区间内降频调节；若调节至谐振点85 kHz，其对应的最大输出电流仍不能达到目标值1 A，可进而通过调节移相角增大逆变器输出电压来实现调控目标。同样，假设Q为1.0，稳定输出电流0.5 A；当负载Q值由1.0变为3.0时瞬间输出电流增大，此时在85～90 kHz调频区间内升频调节；若调节至90 kHz，其对应的输出电流仍不能达到目标值0.5 A，可进而通过调节移相角减小逆变器输出电压来实现调控目标。

根据以上分析，综合调控效果与节能的思想，本文确定变频控制与移相调压相结合的控制策略。根据以上控制策略编写系统程序，系统运行流程如图6所示。

图5 不同Q时，系统传输效率曲线Fig.5 System transmission efficiency curves with different Q

图6 系统运行流程Fig.6 Software flow chart of the system

3 实验验证

为验证本文建模方法及控制策略的有效性，根据图1原理并按照表1系统参数制作了基于LCL-S型的ICPT实验平台，控制芯片采用STM32F103，控制算法采用实时性较高的PI控制。控制器对副边进行电流采样送入微控制器MCU（micro controller unit）进行PI控制运算，进而对系统工作频率以及移相角度进行控制，以实现稳定电流输出的控制目标。

图7 负载减小时LCL-S型ICPT系统电压波形Fig.7 Voltage curve of the LCL-S type ICPT syste with load increasing

图7和图8分别是负载由100 Ω切换到66.6 Ω时的负载电压调节曲线和负载电流波形。由图可见，负载电压由63.2 V变到42.4 V，根据欧姆定律，负载变化前后负载电流基本保持不变。切换过程中PI控制基本实现了无超调调节，调节时间仅为36 ms。图8显示，在切换瞬间负载电流值突然增大，此过程符合第2.1节特性分析中的图4曲线，负载减小，即Q突然增加时，负载电流增大，而控制策略作用后，负载电流被快速调节至稳定值，实现了稳定电流输出。

图8 负载减小时LCL-S型ICPT系统电流波形Fig.8 Current curve of the LCL-S type ICPT syste with load increasing

图9和图10分别是负载由66.6 Ω切换到100 Ω时的负载电压调节曲线和负载电流波形。由图可见，负载电压由43.1 V变到63.5 V，负载电流基本保持不变。切换过程中PI控制基本实现了无超调调节，调节时间仅为45 ms。图10显示，在切换瞬间负载电流突然减小，此过程也符合图4所示曲线，负载增加即Q值突然减小时，负载电流减小，而控制策略作用后，负载电流被快速调节至稳定值，实现了稳定电流输出。波形中存在一些毛刺，可能是由示波器探头引入或系统杂散参数的干扰。

图9 负载增加时LCL-S型ICPT系统电压波形Fig.9 Voltage curve of the LCL-S type ICPT system with load decreasing

图10 负载增加时LCL-S型ICPT系统电流波形Fig.10 Current curve of the LCL-S type ICPT system with load decreasing

4 结语

本文对基于LCL-S型ICPT的系统用交流阻抗分析法建立模型，并在此模型基础上对此系统特性进行分析。给出了副边输出电流增益及输出电流的特性曲线，并结合系统效率曲线提出相应的恒流控制策略；对已有控制策略进行优缺点分析，确定了适合本系统的控制方式，即以变频为主移相调压为辅的控制策略；运用PI反馈进行闭环控制并获得了良好的效果。最后通过实验验证了控制策略的有效性，基本实现了无静差、无超调的快速响应控制。该控制方法对于电动汽车动力电池充电过程中内阻缓变的情况下维持恒流充电具有足够的响应速度。

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Analysis and Control of Constant Output Current Based on LCL-S Type ICPT System

GUO Yugang,LI Chaoqun,CUI Naxin
（School of Control Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China）

In order to meet the practical demand of the wireless charging for electric vehicles,a constant current control method is proposed.The model of the magnetic coupling resonance inductively coupled power transfer（ICPT）system based on LCL-S type is established,and its operating characteristics are analyzed.Then,according to the output characteristic curve of the secondary current and the transmission efficiency characteristic curve,the frequency range of the system is determined.And this interval is used as the frequency modulation area of the system constant current operation.The advantages and disadvantages of various power control methods are compared.Furthermore,a constant current control strategy is proposed,which is the combination of variable frequency control and phase shifting voltage regulation.Control program of the PI feedback is designed.Through experiment,the constant current control effect is verified when the load is different.The experiment shows that the control strategy can realize the non static difference and the fast response control without overshoot.

wireless power transfer;inductively coupled power transfer（ICPT）system;LCL compensation circuit;constant output current control