基于雙LCC的電動(dòng)汽車多階段恒流無線充電技術(shù)

作者 / 朱國(guó)平 匡洪海 張瀚超 王建輝 湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院(湖南 株洲 412000)

朱國(guó)平(1993-)，男，碩士，研究方向：新能源并網(wǎng)控制策略。

摘要：針對(duì)電動(dòng)汽車無線充電多為恒流充電，且恒流充電對(duì)動(dòng)力電池存在著較大損害的問題，提出了一種基于雙LCC的電動(dòng)汽車多階段恒流無線充電技術(shù)。該技術(shù)將動(dòng)力電池的充電階段劃分為若干個(gè)恒流充電階段，不同階段的充電電流不同，且剩余電量越多充電電流越小，進(jìn)而使得動(dòng)力電池的充電電流更接近于動(dòng)力電池的最佳充電曲線，進(jìn)而降低對(duì)動(dòng)力電池的損害，延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

0 引言

　　電動(dòng)汽車作為一種新能源汽車，以其污染小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)際和國(guó)內(nèi)社會(huì)的廣泛認(rèn)可和支持，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車的充電方式也從傳統(tǒng)的有線充電模式向無線充電模式過渡^[1]。相較于有線充電方式，無線充電具有方便、安全、操作簡(jiǎn)單及無機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)^[2]，得到廣泛關(guān)注和研究。但是，目前電動(dòng)汽車的無線充電多為恒流充電，而恒流充電盡快可以較為快速的為動(dòng)力電池補(bǔ)充能量，但是在充電的后期會(huì)造成電池嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，進(jìn)而縮短動(dòng)力電池的使用壽命。針對(duì)這個(gè)問題，本文提出了基于LCC的電動(dòng)汽車多階段恒流無線充電技術(shù)，隨著動(dòng)力電池的電量的上升，減小動(dòng)力電池的充電電流的大小，進(jìn)而使得動(dòng)力電池的充電電流較為接近動(dòng)力電池的最佳充電曲線，進(jìn)而可以減少對(duì)動(dòng)力電池的損害，延長(zhǎng)其使用壽命，降低電動(dòng)汽車的使用成本，且可以降低動(dòng)力電池的更換頻率，進(jìn)而對(duì)環(huán)境更友好。

1 電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)原理

　　圖1為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)框圖^[3]。三相交流電或者單相交流電經(jīng)工頻整流濾波電路和功率因數(shù)校正電路變換成直流電，經(jīng)高頻逆變電路變換成高頻交流電，注入到由諧振補(bǔ)償電路和原邊線圈構(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)，在原邊線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，副邊線圈在高頻交變磁場(chǎng)中感應(yīng)出高頻交流電，經(jīng)諧振補(bǔ)償電路和整流濾波電路之后為電動(dòng)汽車充電。

2 多階段恒流充電

　　多階段恒流充電示意圖如圖2所示，從圖中可以看出充電過程分為若干個(gè)階段，且從初始階段到最終階段電流是依次減小的，且電流越大，充電時(shí)間越短;電流越小，對(duì)應(yīng)的階段充電時(shí)間越長(zhǎng)。將動(dòng)力電池的充電階段分的越多，動(dòng)力電池的充電電流便越接近于最佳充電曲線，對(duì)電池的損害便越小，更有利于延長(zhǎng)動(dòng)力電池的使用壽命。若動(dòng)力電池為鋰電池，最后階段的電流一般為電池組容量的0.05倍，當(dāng)電池電壓達(dá)到截止電壓便可以停止充電。

3 雙LCC諧振補(bǔ)償拓?fù)?/strong>

　　如圖3所示L₁是原邊線圈感值，L₂是副邊線圈感值，C₁、C_f1和L_f1是原邊補(bǔ)償電感和電容，C₂、C_f2和L_f2是副邊補(bǔ)償電感和電容，U_AB是逆變器的輸出電壓和U_ab是副邊補(bǔ)償拓?fù)涞妮敵鲭妷海?em>M是原副邊線圈互感。i₁、i₂、i_f1和i_f2分別是線圈L₁、L₂、L_f1、L_f2的電流。

　　電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的磁路機(jī)構(gòu)是一個(gè)松耦合變壓器，故可將圖3中的副邊電感電容折算到原邊[4]，得到如圖4所示的等效電路圖。為了簡(jiǎn)化分析，忽略電感電容的內(nèi)阻，且只考慮逆變器輸出電壓的基波。定義松耦合變壓器的變比n為：

(1)

　　圖4中的變量可由公式(2)表達(dá)：

(2)

　　其中L_m為折算到原邊的勵(lì)磁電感。對(duì)于如圖2所示的高階系統(tǒng)，其諧振頻率有多個(gè)，本文重點(diǎn)研究LCC的電壓電流特性，不研究其頻域特性，故本文將系統(tǒng)的工作頻率設(shè)定為一個(gè)固定的諧振頻率。電路諧振狀態(tài)下，逆變器的輸出電壓和輸出電流是同相位的，由公式(3)可計(jì)算電路的諧振頻率。

(3)

　　此處的ω₀是補(bǔ)償電路的固有諧振角頻率，從式(3)中可看出角頻率只與電路中的電感電容有關(guān)，而與負(fù)載、原副邊的互感無關(guān)。下文設(shè)定的頻率均為固定的諧振角頻率。