基于双边LCC补偿的无通信型原边控制无线充电系统研究

郎文文 何家房 李振杰

摘要：为降低无线充电系统对于无线通信的依赖，并且实现负载的不同充电需求，本文提出基于双边LCC补偿的无通信型原边控制方法。首先，采用T型二端口网络推导了基于原边电气参数的充电电流和充电电压辨识模型。其次，设计了用于恒流/恒压充电的闭环控制器，采用电路仿真分析了工作性能;设计了具有较强抗偏移性能的DD型磁耦合机构，采用磁场仿真分析了耦合特性。最后，搭建实验装置，实验结果验证了本文所提方法的可行性。

关键词：无线电能传输，双边LCC补偿，无实时通信，恒流/恒压充电

1. 引言

虽然传导式充电成熟度高、应用广泛，但存在接口摩损与老化、手动操作繁琐、漏电触电隐患以及易受天气环境影响的问题。2007年，麻省理工学院的物理学助理教授Marin Soljacic及其研究团队在《Science》期刊上提出基于四线圈结构的磁耦合谐振式无线充电技术，以空间磁场作为能量传输载体并且借助谐振补偿和电能变换技术实现无线电能传输[1]。较之于传统的磁感应式无线充电技术，磁耦合谐振式无线充电技术具备传输距离远、传输功率大以及传输效率高等优点[2-3]。

实际应用中，电池充电过程中等效负载电阻动态变化导致充电电流和充电电压波动，有必要采用闭环控制确保无线充电系统的稳定且可靠恒流/恒压充电性能。闭环充电控制方法主要包括原边控制、副边控制。其中，副边控制采用的电路包括DC-DC变换器以及有源整流电路。文献[4-5]采用PI控制器调节Buck变换器的占空比实现恒流/恒压充电，缺点在于接收端的体积、成本和损耗较大，原边控制采用的电路包括DC-DC变换器和全桥逆变器，并且控制方法分为充电信息反馈型与原边反馈控制型。

a） . 充电信息反馈型，依赖Wi-Fi、Bluetooth与ZigBee等无线通信方式实时交互充电信息。通过PI控制器调节全桥逆变器的工作频率实现恒压/恒流充电，缺点在于系统工作频率偏移谐振频率时无功功率较大并且系统效率较低。

b）. 原边参数估计型，仅依赖于原电气参数估计充电和充电电压，避免无线通信模块存在的延时以及强磁环境下易受干扰的问题。根据发射线圈中谐振电流与补偿电容端电压之间关系估计充电电压，采用PI控制器调节全桥逆变器的移相角度实现恒压充电，缺点在于相位差测量精度影响充电电压精度。

本文旨在拓展无线充电系统的多场合适应性，以不依赖于控制级无线通信实现充电控制作为切入点，提出基于双边LCC补偿的无通信型原边控制无线充电系统，并且深入地研究其电路拓扑和工作原理。

2. 电路拓扑与理论分析

2.1 电路拓扑

本文提出的基于双边LCC补偿的无线充电系统电路拓扑如图1所示。其中，发射端电路由直流电压源（Ubus）、全桥逆变器（Q1～Q4）、LCC补偿拓扑（Lp、Cp、L1、C1）组成;接收端电路由LCC补偿拓扑（Ls、Cs、L2、C2）、整流桥（D1～D4）以及等效负载电阻（Ro）组成。同时，全桥逆变器的输出电压为us，流过Lp和L1的电流分别为ip和i1，M为磁耦合机构的互感值，流过Ls和L2的电流分别为is和i2，充电电流和充电电压分别为Io和Uo。

2.2 理论分析

结合图1所示双边LCC补偿的互感模型，建立图2所示等效解耦电路模型，据此推导原边电气参数与充电电流和充电电压之间关系式。

由式（16）可知：kQ与磁耦合机构参数相关，并且设计初期应合理取值。发射线圈和接收线圈中谐振电流i1（t）和i2（t）的相位差φ12与谐振状态相关并且取值范围为0～π。kQ一定且φ12=90°时，传输效率ηmag最大。i1（t）和i2（t）的有效值I1_rms和I2_rms满足式（14）时，ηmag最大。

3.2 电路仿真

PLECS仿真软件中搭建的无线充电系统电路模型如图5所示，主要包括三部分：主电路部分、充电电流/充电电压预测部分以及双闭环控制器部分。其中，基于PI的双闭环控制实现了最终的恒流/恒压充电。

结合图5所示电路模型，恒流充电和恒压充电的闭环仿真波形如图6所示。可知：就恒流充电而言，等效负载电阻由13 Ω变到18 Ω时，采用PI控制器调节全桥逆变器的移相角度，全桥逆变器的输出电压us改变，实现3 A充电。就恒压充电而言，等效负载电阻由30 Ω变到90 Ω时，采用PI控制器调节全桥逆变器的移相角度（即输出电压us），实现54.6 V充电。显然，闭环仿真结果验证了本文所提无通信型原边控制方法的可行性与合理性。

4. 实验验证与结果分析

为验证本文所提方法，做了图7所示仿真。等效负载电阻Ro与移相角度α、系统效率η之间的实验结果如图8所示。可知：Ro变化时，动态调节α实现了恒流恒压充电。

结论：针对无控制级双边通信且接收端结构紧凑化的需求，提出基于双边LCC补偿的无通信型原边控制无线充电系统，拓展其多场合适用性。建立基于原边电气参量的充电电流和充电电压辨识模型，采用DD型磁耦合机构确保强抗偏移的基础上，PI控制器实现负载变化时恒流/恒压充电。最后，仿真和实验结果均验证所提方法的可行性。

参考文献

[1] Kurs， A. Karalis， R. Moffatt， et al. Wirelss Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonance [J]. Science， 2007， 317（5834）： 83-86.

[2] A. Karalis， J. D. Joannopoulos， M. Soljacic. Efficient Wireless Non-radiative Mid-range Energy Transfer [J]. Annals of Physics， 2008， 3123（1）： 34-48.

[3] 張献， 杨庆新， 陈海燕， 等. 电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证 [J]. 中国电机工程学报， 2012， 32（21）：153-158.

[4] 赵金萍. 高效率电动汽车无线充电系统的研究与设计[D]. 天津工业大学硕士学位论文， 2017.

[5] 施松. 电动车无线供电系统拾取装置的设计[D].重庆大学硕士学位论文， 2013.