【精彩論文推薦】中國科學院電工研究所 吉莉等:副邊自動切換充電模式的電動汽車無線充電系統設計

電力系統自動化編輯部2018-01-09 11:28:43

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原文發表在《電力系統自動化》2017年第41卷第23期,歡迎品讀。

吉莉, 王麗芳, 廖承林, 等. 副邊自動切換模式的無線充電系統設計 [J]. 電力系統自動化, 2017, 41(23): 137-142. DOI: 10.7500/ AEPS20170609006.

JI Li, WANG Lifang, LIAO Chenglin, et al. Design of Electric Vehicle Wireless Charging System with Automatic Charging Mode Alteration at Secondary Side [J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(23):137-142. DOI: 10.7500/ AEPS20170609006.



副邊自動切換充電模式的電動汽車無線充電系統設計

DOI: 10.7500/AEPS20170609006

吉莉,王麗芳,廖承林,李樹凡




一、研究背景


隨著能源的短缺以及環境汙染的加劇,電動汽車成了各國大力支持發展的新能源交通工具,而充電站的建設問題成了制約其推廣發展的瓶頸。無線電能傳輸(WPT)技術採用原、副邊分離的鬆耦合變壓器實現,具有便捷、可靠等特點,在最近幾年得到了迅速發展。採用WPT技術為電動汽車電池進行無線充電,通常包括兩個階段:恆流(Constant Current,CC)充電和(Constant Voltage,CV)充電。在充電初期採用恆流模式,電池電壓迅速增加。當電池電壓達到充電切換電壓時,採用恆壓模式充電,充電電流逐漸減小到接近於零,充電完成。在電動汽車應用中,為了增加續航里程,電池通常由較多的單體成組構成,這一特性導致電池的整體特性受限於其中的單體特性,如果單體電池受損,則在充電過程中需要及時對損壞的電池單體進行電壓保護而迅速進入恆壓階段。通常,WPT系統的恆流或者恆壓輸出的切換是通過在電路系統中引入閉環負反饋控制來實現,通常需要無線通信措施及原邊複雜控制手段的介入,副邊將相應的控制信息反饋到原邊,在原邊電路逆變器前加入控制器調節輸入電壓、採用移相控制、改變系統工作頻率點,或者改變補償網絡拓撲的方法達到與負載無關的恆壓和恆流輸出。不論在無線通信環節還是在原邊的複雜控制環節均需要耗費時間而且在高磁和複雜環境下無線通信具有不穩定的特性,這將可能導致通信中斷而切換失敗。因此,如何能夠保證電動汽車無線充電的過程中恆流向恆壓模式的快速、平滑切換,且不需要藉助通信等外在手段,對於保護電動汽車的電池、增強電動汽車的安全性等方面具有重要的意義。


為了解決該問題,本文提出了一種免去副邊與原邊之間的通信及原邊的複雜控制環節,通過在副邊切換諧振補償網絡的方法實現輸出恆流與恆壓自動切換,同時提出一種保障副邊切換補償網絡時電池電壓不發生跳變的副邊諧振網絡參數的設計方法並對所提出的切換方法和參數設計方法進行了驗證。


二、恆流/恆壓輸出原理及切換條件分析


基於電壓源的無線電能傳輸系統等效電路結構如圖1所示。其中,Uin為電源輸入電壓,Iin為輸入電流,Iout為負載輸出電流,Uout為負載輸出電壓,Z1Z2Z3代表電感、電容、短路或開路。

圖1  基於電壓源的無線電能傳輸系統等效電路結構


根據電路理論,可以推導出負載側輸出為恆流或恆壓時,參數Z1Z2Z3之間的耦合關係。由推導可知,滿足以上條件的方案可以有多種。


所提出的副邊切換系統在設計時還必須滿足的約束條件包括:


1)作為副邊電路,Z1為電感。


2)恆流階段和恆壓階段的角頻率必須保持一致。

為了實現副邊在免通信及不需要原邊參與的條件下完成充電模式的自動切換,則副邊在恆流充電階段和恆壓充電階段的系統諧振角頻率必須保持一致。


3)切換時刻,負載電壓保持恆定。

由於電池的充電特性,電池充電電壓不能發生劇烈的跳變。如果電壓急劇減小,電池將不能進行充電,導致充電的失敗;如果電壓急劇增加,將導致電池的過壓充電,縮短電池的使用壽命甚至帶來安全事故。因此,在切換時刻,必須保證電池充電電壓的一致性。


三、應用舉例


根據前述的參數Z1Z2Z3之間的耦合關係,為了減少開關個數及儘量簡化,以如圖2所示的電路結構進行恆流模式向恆壓模式自動切換。

圖2  無線充電系統結構圖


其中原邊的諧振補償網絡結構採用LCC結構,M為線圈間的互感,副邊的諧振補償網絡結構在恆流階段採用LCC結構,在恆壓階段採用S結構,副邊引入兩個開關S1S2和一個補充電容C23,對副邊的諧振補償結構在LCC和串聯諧振補償兩種結構之間進行切換。ω為系統工作角頻率,線圈間的互感M在電動汽車停穩並開始充電的過程中保持不變。


原邊的諧振補償網絡中L11C11組合符合推導的恆流輸出結構,即原邊線圈輸出的電流恆定,僅與互感和諧振角頻率有關。根據電磁感應定律,此時,副邊的感應電壓保持恆定。副邊在開關S1S2均閉合時,副邊的補償結構為LCC結構,參數C21C22L21符合推導的恆流輸出結構,此時,負載的充電電流恆定。當開關S1S2均打開時,副邊的補償結構為串聯諧振補償結構,當L2C22C23L21諧振於系統角頻率時,負載的充電電壓保持恆定。根據前述的系統設計的三個約束條件,可以推導得到系統參數的設計條件。


四、實驗驗證


為了驗證以上分析的正確性,搭建了一套恆流輸出為8A、恆壓輸出為340V的WPT統。系統輸入電壓為220V,在充電的第一階段,負載充電電流穩定在8A左右,電壓由最小300V逐漸增加到最大340V,電池等效電阻變化範圍為37.5Ω—42.5Ω,充電電流變化率為0.24%,基本保持恆定。充電的第二階段,維持340V恆壓充電,電流由最大8A逐步減小到最小電流,約為1.5A,電池的等效電阻變化範圍為42.5Ω—226.7Ω,充電電壓變化率為0.67%,基本保持恆定。當負載電壓到達轉換電壓340V時,由恆流充電模式向恆壓充電模式進行切換,在切換前和切換後的負載電壓分別為340.26V和339.25V,變化率為0.3%。可以看出,系統在恆流充電模式向恆壓充電模式切換時,負載電壓波動很小,能夠保障電池的正常充電。


為了減小開關S1S2打開瞬間的電流、電壓震盪,在電路中加入了電流傳感器和過零監測電路,開關在開關支路電流過零時刻打開。開關切換的流程是:在電池開始充電之前,導通開關S1S2,將諧振補償網絡結構設置為恆流充電模式,在副邊控制系統監測到電池電壓到達切換電壓或者因為單體損壞等原因需要進入恆壓充電模式時,開啟開關支路的過零監測,當監測到開關支路電流為零時,由副邊控制系統發出命令,打開相應的開關,即將諧振補償網絡結構轉換為滿足恆壓充電的諧振補償網絡結構,電池開始恆壓充電。


為了模擬實際電動汽車的充電過程,採用了一組力神16Ah磷酸鐵鋰電池的實際充電曲線作為對比,採用電子負載模擬電池的等效電阻,針對所提出的切換方法進行了一組充電實驗,實驗結果表明,採用所提出的切換方法能夠快速、平滑地從恆流模式切換到恆壓模式,且模擬的充電狀態與電池組實際的充電狀態相似。


五、總結與展望


本文提出了基於副邊自動切換恆流/恆壓模式的諧振補償網絡的切換方案,並且針對切換時刻負載電壓恆定的限定條件,提出了一種副邊諧振補償網絡參數的設計方法;並以LCC-LCC向LCC-S諧振補償網絡的自動切換為例,對所提出的設計方法進行了驗證。但是在恆流階段、恆壓階段以及在恆流向恆壓切換過程中,電壓和電流均存在較小的波動,這種變化是由於沒有考慮系統內阻以及所配置的電容、電感參數和理論計算值存在誤差所致。為了保持負載電壓的穩定性,在後續的工作中,將研究在副邊加入DC-DC環節對恆流/恆壓自動切換進行實時控制的設計方法,以進一步提高系統的魯棒性。此外,目前實驗還處於實驗室的低壓模擬環境,不能較好的反應實際電動汽車運行時的複雜工況,以後將繼續深入工作,將該拓撲應用於電池充電的實際應用中,以增強實驗驗證。



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作者介紹

吉莉,碩士,中國科學院電工研究所高級工程師。主要研究方向:電動汽車無線充電及無線攜能通信技術。發表SCI、Ei檢索論文19篇,申請受理、授權發明專利10餘項。


王麗芳,博士,中國科學院電工研究所研究員,博士生導師。主要研究方向:電動汽車能源與動力系統及其控制技術,包括:純電動汽車和混合動力汽車的整車驅制動控制技術、鋰離子電池管理系統技術、汽車網絡系統的設計與測試、電動汽車無線充電技術,以及電動汽車電磁兼容技術。獲得2015年度汽車行業和北京市科學技術獎一等獎。發表相關學術論文90多篇,申請受理、授權發明專利40多項。


廖承林,博士,中國科學院電工研究所研究員,碩士生導師。目前主要研究方向:電動汽車動力總成控制、車用總線及通訊協議、汽車電子技術平臺及無線充電技術等。


李樹凡,中國科學院電工研究所博士研究生。主要研究方向:電動汽車無線充電技術。


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