基于三线圈结构的无线恒流恒压充电智能控制算法-王璨博士
2023-08-23
1引言
与传统的导电充电相比，无线电力传输（WPT）是一种新兴技术，具有自动化、安全和方便的优点。近场WPT可分为电容功率传输和感应功率传输（IPT），并可应用于许多领域，如无线传感器网络、植入式医疗设备、消费电子产品、家用电器、电动汽车（EV）[和铁路运输。不同的耦合器布置可用于各种应用，例如中继器和多负载结构。近十年来，基于IPT的电动汽车无线充电引起了学术界和业界的广泛关注。锂离子电池由于其高功率密度而被广泛应用于电动汽车。锂离子电池有两个充电阶段，即恒流（CC）充电和恒压（CV）充电。为了符合此充电模式，无线充电系统应具有CC和CV输出。补偿通常用于WPT系统中，以提高效率并实现目标传输特性。不同的补偿拓扑导致不同的输出特性。在谐振频率下，串联和LCC-LCC拓扑具有CC输出，而LCC-S和S-LCC具有CV输出。基于这一原理，引入了许多继电器，以将系统重新配置为不同的拓扑结构，从而实现CC和CV输出。这导致复杂性和高成本。
另一种方法是改变工作频率。如前所述，S-S拓扑在谐振频率下具有CC输出。然而，它在谐振频率的上方和下方也有两个CV输出点，LCC-LCC拓扑也是如此。因此，S-S或LCC-LCC拓扑的工作频率可以更改为CC输出的谐振频率，并且可以更改为高于或低于CV输出的共振频率。然而，宽频率调谐范围可能违反预设频率范围的一些标准，例如根据汽车工程师协会的J2954从79到90 kHz。此外，CV输出失去了零相位角，将产生大量无功功率。
三线圈结构已用于实现CC和CV充电。然而，接收器侧补偿是复杂的，使用了两个额外的开关。本文提出了一种新的可重构拓扑，以实现基于三线圈结构的CC和CV输出。在发射机侧增加了一个额外的绕组，使得系统可以重新配置为具有CC输出的双线圈结构或具有CV输出的三线圈结构。通过这种方式，提出了一种简单且低成本的CC和CV输出解决方案。
2 CC和CV拓扑
CC和CV输出的拟议拓扑发射机侧有两个绕组L1和L2。L3是接收线圈。C1、C2和C3是各自的补偿电容，I1、I2和I3是各自的电流。M12、M23和M13是互电感。VINV是逆变器直流电压。RL是负载电阻。VREC和IREC分别是充电电压和电流。
2.1 CC输出
对于CC输出，继电器关闭。S1和S2始终关闭。S3和S4作为半桥逆变器工作，以这种方式，形成了双线圈结构。我们分别给出了等效电路和开关方案。R2和R3分别是L2和L3的等效电阻。U2是半桥逆变器的等效交流电压。CC状态下最大的传输效率当满足：
2.2 CV输出
对于CV输出，继电器和开关S4常开，S3常关。因此，第二回路（L2和C2）短路。S1和S2作为半桥逆变器工作，向L1供电。以此方式，形成三线圈结构。我们分别给出了等效电路和开关方案。R1是L1的等效电阻。U1是半桥逆变器的等效交流电压。
尽管计算的输入阻抗ZIN是电容性的，但由于谐波的存在，系统仍然可以实现ZVS，这将在第三节中得到证明。由于交叉耦合M13的存在，输出电压不是理想的负载无关的。然而，通过将M13和M12的比例设计得较小，可以忽略M13的影响。通过这种方式，直流充电电压可以大致独立于负载，如（15）所示，实现CV充电的最大效率的最佳负载电阻大于如（8）所示的CC充电的负载电阻。这与CC和CV充电的实际负载电阻变化相匹配。通过将（5）中的VREC设置为等于（13）中的VRTC，可以获得实现从CC到CV的平滑过渡的临界RL，如下所示：
3 仿真和实验
电磁模拟采用线圈几何形状进行。模拟和测量的线圈参数显示在表I中。测量结果与模拟结果一致。一个实验原型其拓扑参数列于表2。对于CC输出，RL从10Ω变为40Ω；对于CV输出，RL从15Ω变为70Ω。测量的两线圈和三线圈结构的直流-直流效率最大出现在由（8）和（15）计算的最佳负载电阻处。根据（16），实现从CC到CV的平滑过渡的临界RL可计算为35Ω。从实验结果来看，实际临界RL约为33Ω。CC和CV充电阶段的直流充电电流和电压、直流-直流效率和输出功率的计算结果和实验结果都呈现正相关。计算结果与实验结果之间的差异可能是由于参数和共振状态的不准确造成的。然而，已经实现了CC和CV充电。33Ω时CC和CV输出的实验波形全桥逆变器仅部分用作半桥逆变器，这会影响效率。为了解决这个问题，可以使用额外的继电器来充分利用全桥逆变器。
4 结论
本文提出了一种基于三线圈结构的无线充电系统中用于CC和CV输出的新型可重构拓扑结构。发射线圈被分成两个绕组，其中一个绕组的匝数比另一个小得多。这两个绕组被完全补偿并连接到相应的逆变器相。因此，系统可以分别在用于CC和CV输出的两线圈结构和三线圈结构之间切换。建立了数学模型，并对CC和CV特性进行了评估。在所提出的方法中，工作频率是固定的，只有一个继电器用于CC和CV充电的切换。开发了一个原型，传输的最大效率为94.4%。实验结果验证了该系统的有效性。