电动汽车无线充电双LCC电路特性分析与仿真

郑雪钦，吴彬彬

(厦门理工学院电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024)

随着能源的不断开采，煤炭、石油等不可再生能源逐渐走向枯竭，电动汽车因其节能环保越来越受到欢迎，电动汽车无线充电技术安全方便可实现智能化控制越来越受到推崇[1]。目前，电动汽车无线充电技术中关于谐振补偿电路的研究主要集中在SS补偿电路(series-series，SS)、LCL补偿电路以及双LCC补偿电路[2]。文献[3]主要分析SS拓扑中电感参数和负载参数对系统传输的影响；文献[4-5]针对LCL拓扑参数设计以及特性进行了深入研究；文献[6]针对LCL电路恒压、恒流输出特性进行了深入研究；文献[7]主要研究了双LCC补偿电路功率与效率问题。目前针对SS谐振电路研究较多，关于LCC补偿电路特性涉及较少，本文根据电动汽车无线充电恒流充电特点，针对LCC无功补偿拓扑进行研究，在此理论研究基础上进行参数设计和仿真验证，满足电动汽车恒流充电要求。

1　谐振补偿电路分析

常见的4种基本拓扑(结构)中，SS型与SP型为电压型，PS与PP为电流型[8]。当系统在谐振条件下，SS型原边补偿电容只与谐振角频率以及原边电感有关，而PS、SP、PP原边补偿电容均与互感M有关[9-10]。电动汽车无线充电系统中，停车位置以及安装等原因都将影响原副边耦合程度发生变化，即互感M在变。因此，PS、SP、PP 3种拓扑不适用于电动汽车无线充电系统中。如图1所示，SS拓扑中，us为高频交流电源，Cp，Lp以及Rp分别为原边电容、电感以及电感等效内阻；Cs，Ls，Rs与RL分别为副边电容、电感、电感等效内阻以及负载，M为原副边线圈互感。根据KVL定律可得：

(1)

其中：

(2)

式(2)中：Z1为原边阻抗，Z2为副边阻抗。由式(2)简化可得原副边电流为

(3)

当原副边均处于谐振状态时，谐振角频率为

(4)

当系统处于谐振状态下，系统表现出纯阻性状态，如式(5)：

(5)

谐振状态下原边线圈电流为

(6)

当副边发生开路情况下电流为

(7)

原边谐振电流频率特性波形图如图2所示。在SS串联谐振电路中，开关管只需要承受输入电压的大小，逆变桥必须提供流过线圈的全部电流，开断过程电流应力较大。当副边电路发生开路故障时，如果此时原边电路工作在谐振状态下，原边线圈产生很大的电流，对于大功率无线电能传输系统来说非常危险。因此，SS谐振补偿电路存在开关器件应力较大的缺点。为了克服缺点，选择双LCC谐振补偿电路作为电动汽车无线充电拓扑，可有效减小开关器件应力。

2　双LCC谐振补偿电路特性分析

2.1　电路拓扑结构

电动汽车无线充电系统如图3所示，原副边补偿电路为对称结构，DC为直流源等效代表输入电源，T1、T2、T3、T4构成全桥逆变电路，L1、C1、C1s以及Lp构成发射端谐振补偿电路。Ls、C2s、C2以及L2构成接收端谐振补偿电路，M为发射线圈与接收线圈互感，RL为负载。L1与C1构成低通滤波器，C1s与C2s分别补偿了Lp与Ls的感抗。电动汽车无线充电系统中，原副边线圈感量一般较大，即图中Lp与Ls感量较大，利用补偿电容，在保证较大感量的同时可以减小支路感抗，提高线圈电流大小，进而增强磁场强度，提升电能传输能力。双LCC谐振补偿电路与基本谐振补偿电路相比，能有效滤除高频逆变电路产生的谐波，提高原边电能变换装置输出电源质量，减小原边开关管电流应力。

2.2　谐振电路阻抗特性

如图4(a)所示，双LCC原边等效电路，Zsp为副边反射到原边等效阻抗。图4(b)中，V0为副边感应电压，R为整流桥之后等效负载。

(8)

(9)

归一化角频率，即开关管工作频率ω与系统固有频率ω0的比值ωn=ω/ω0，发射端品质因数Q=ω0L/Zsp，L和L1的比值λ=L1/L，式(9)可以表示为

(10)

假设逆变输出电压uin相位为0，逆变输出电流为

(11)

(12)

则逆变器输出电压电流相位差表示为

(13)

当θ=0时，λ=1，系统工作在纯阻性状态；当θ<0时，λ>1;系统工作在感性状态；当θ>0时，λ<1,系统工作在容性状态。

2.3　恒流/恒压特性

2.3.1恒流输出特性

(14)

由式(14)可得，输出电流与负载大小无关，电路表现出恒流特性。输入阻抗为

(15)

当λ=1时，输出电流为

(16)

输入阻抗为纯阻性，如式(17)：

ZP=ω0LQ。

(17)

此时电路不仅表现出恒流特性并且输入阻抗为纯阻性。

2.3.2恒压输出特性

(18)

输入阻抗为

(19)

无论λ取何值系统均无法表现出纯阻性状态。电动汽车无线充电系统中充电对象为动力电池，本设计选择恒流充电模式，即ωn=1，λ=1。

3　双LCC谐振补偿电路仿真

在Pspice软件中建模进行仿真，仿真电路模型如图3所示。根据双LCC谐振电路，结合电动汽车无线充电要求，在理论分析的基础上设计谐振补偿电路参数如表1所示，分别针对输出电流频率特性、阻抗频率特性以及恒流/恒压特性进行仿真。为了突出电路恒流/恒压特性，本文设计负载电阻变化幅度较大，实际充电过程中动力电池内阻发生变化幅度较小。

表1　双LCC拓扑参数设计Table 1　Double LCC topology parameters

3.1　系统频率特性

3.1.1输出电流频率特性

3.1.2阻抗幅频特性/相频特性

对系统频率进行扫描时，扫描范围20～100 kHz,输入阻抗幅频特性曲线与相频特性曲线如图6所示。当频率扫描到50 kHz时，输入阻抗相位角为0°，此时阻抗幅频特性曲线比较平滑，振幅没有出现陡峭变化，说明输入阻抗在此谐振点对频率变化不敏感。

当负载发生变化时，阻抗相位角0°保持不变，不同负载条件下此谐振点工作状态下阻抗振幅比较平滑，说明系统在这个谐振点工作比较稳定。

3.2　恒流/恒压特性

当ωn=1，λ=1时，开关频率与电路固有频率一致。设置仿真时长10 ms，初始电阻R=10 Ω，当t=6 ms时，R=20 Ω，t=8 ms时，R=40 Ω。不同负载条件下，恒流输出特性曲线如图7所示。不同负载情况下，输出电流恒定，系统表现出恒流特性，与前面理论推导结论一致,输出电压随负载增大而增大。

电动汽车无线充电负载为电池，为了满足设计要求，方便对动力电池不同充电阶段的控制(如恒流、恒功率等)，本设计选择恒流充电模式，开关频率与固有频率保持一致，ωn=1，λ=1时,电路不仅表现出恒流特性并且系统工作在纯阻性状态，逆变电源仅提供有功功率。

4　结论

针对电动汽车无线充电系统要求，设计双LCC谐振补偿电路，对LCC电路阻抗频率特性、恒压恒流特性、耦合系数对输出电压电流的影响进行理论推导，根据电动汽车充电要求，最终将系统设计成恒流充电模式，开关频率与电路固有频率相同，当ωn=1，λ=1时，系统工作在谐振状态，高频电源仅提供有功功率。研究表明，LCC谐振补偿电路可以有效滤除高次谐波，改善原边电路电压电流应力和增强系统鲁棒性，满足电动汽车恒流充电要求。

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