电动汽车恒压恒流充电系统设计

作者/刘琼、汤坤、田会峰，江苏科技大学电气与信息工程学院

电动汽车恒压恒流充电系统设计

作者/刘琼、汤坤、田会峰，江苏科技大学电气与信息工程学院

无线电能传输系统(WPT)不同的拓扑具有不同的输出电压、输出电流特性，本文提出了一种可切换谐振补偿拓扑结构，可实现电动汽车恒流恒压充电。对原、副边线圈建立互感耦合模型，分析得出负载动态变化时可实现恒流恒压输出。撘建仿真模型和实验平台，验证了电路分析的正确性。实验验证了当补偿拓扑为LCL—S时，可实现电动汽车恒压充电；当补偿拓扑为LCL—P时，可实现电动汽车的恒流充电。

电动汽车；无线充电；恒压恒流；策略

引言

无线电能传输技术是基于电磁场耦合技术，综合了高频变换技术、电力电子变化技术、电磁感应技术，利用现代控制理论和方法，使能量从原边到副边隔空传输，其与传统的有线充电方式相比具有供电安全灵活、可靠性高、无机械磨损以及无接触损耗等优点[1—2]。电动汽车充电策略有恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电等多种方式。恒流充电是充电过程中电流保持恒定的一种充电策略，容易造成蓄电池过充，缩短使用寿命。恒压充电是充电过程中电压保持不变的一种充电策略，该方法虽不会引起过充，但是会出现充电不足现象[3]。恒压恒流充电综合恒流充电和恒压充电的优点，不仅可以延长电池的使用寿命，而且可以实现对电池的充分充电。目前基于无线电能传输的电动汽车无线充电策略多为恒流充电或者恒压充电，本文提出了一种可切换补偿拓扑实现电动汽车的恒流恒压充电。当系统补偿拓扑为LCL—P时，可实现恒流充电；当系统补偿拓扑为LCL—S时，可实现恒压充电。

1. LCL-S补偿拓扑恒压输出原理

电动汽车无线充电系统采用的LCL—S补偿拓扑，如图1所示，图中UAB是逆变器的输出电压，If是逆变器的输出电流，Lf是补偿电感，Lp是原边线圈电感，Ip是原边线圈流过的电流，Cp是原边补偿电容，Ls是副边线圈电感，Cs是原边补偿电容，Is是副边线圈流过的电流。

图1 LCL—S补偿拓扑电路图

对其建立互感等效模型，得到图2所示，当Lf= Lp 时原边补偿网络可在固定角频率0ω处谐振，因为Lf与Cp构成并联谐振，可得，当副边谐振网络谐振时，可得URL=ω0MIp， 其中URL为负载两端电压。将Ip带入求公式中，可得。由上述推到可知，当系统参数确定后，系统输出电压恒定不变，与负载大小无关，可实现电动汽车恒压充电。

图2 LCL—S等效电路图

2. LCL-P补偿拓扑恒流输出原理

LCL—P补偿拓扑电路图，如图3所示，图中UAB是逆变器的输出电压，If是逆变器的输出电流，Lf是补偿电感，Lp是原边线圈电感，Ip是原边线圈流过的电流，Cp是原边补偿电容，Ls是副边线圈电感，Cs是原边补偿电容，Ic是系统输出电流。对其建立互感等效模型，如图4所示。

图3 LCL—P补偿拓扑电路图

图4 LCL—P等效电路图

3. 可切换补偿拓扑分析

图5 可切换拓扑示意图

上述分析表明，当系统谐振补偿拓扑为LCL—S时，系统可实现恒压充电；谐振补偿拓扑为LCL—P时，系统可实现恒流充电，可切换谐振补偿拓扑如图5所示。图中，Edc是逆变器直流侧电压，VT1～VT4是开关管，Cf是滤波电容。K1、K2是副边加入的切换开关，当K1断开，K2位于1接触点时，补偿拓扑为LCL—S，可实现恒压充电；当K1闭合，K2位于2接触点时，补偿拓扑为LCL—P，可实现恒流充电。

4. 仿真和实验验证

4.1 仿真验证

在MATLAB/Simulink中构建无线充电电路。因为蓄电池在充电过程中电池等效内阻是在逐渐变化的，故仿真过程中，在0.15，0.25s处使负载突变，电阻由30Ω突变到15Ω，再突变到10Ω。系统主要参数，如表1所示，仿真波形图，如图6所示。图6（a）是LCL—P的仿真波形图，从中可看出突变前后电流稳定在同一值，实现了恒流输出。图6（b）是LCL—S的仿真波形图，从中可以看出，突变前后电压稳定在同一值，实现了恒压输出。

表1 系统主要参数表

图6 仿真波形图

4.2 实验验证

为了验证本文结论的正确性，搭建了相应的实验平台。实验平台负载选用的是4节12V，100Ah的蓄电池，将其串联作为负载，原副边线圈的距离是14cm。

图7是恒流充电阶段实验波形图，其中图7（a）显示电池端电压Us=52.6V，充电电流Ic=6.1A；图7（b）显示端电压为Us=61.8V，充电电流Ic=6.0A，可得在电池电压增加过程中，充电电流保持恒定，符合恒流充电阶段特点。

图8是蓄电池的恒压充电阶段实验波形图，图8（a）显示电池端电压Us=61.1V，充电电流Ic=5.5A，图8（b）显示电池端电压Us=61.5V，充电电流Ic=1.3A，从图中可看出，在充电过程中，充电电流不断减小，端电压基本不变，符合恒压充电特点，实现了蓄电池的恒压充电。

图7 恒流充电实验图

图8 恒压阶段实验波形图

5. 结语

本文分析了LCL—S和LCL—P补偿拓扑的性质，在此基础之上提出了一种可切换谐振补偿电路，其可实现恒流恒压输出，进而可实现电动汽车的恒流恒压充电，并进行了仿真和实验验证。

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