如何基于雙LCC實現(xiàn)電動汽車多階段恒流蓄電池充電機(jī)無線充電技術(shù)？
2018-5-9 13:42:13??????點(diǎn)擊：
電動汽車作為一種新能源汽車，以其污染小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，得到國際和國內(nèi)社會的廣泛認(rèn)可和支持，隨著社會的不斷發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，電動汽車的充電方式也從傳統(tǒng)的充電機(jī)有線充電模式向蓄電池充電機(jī)無線充電模式過渡。相較于有線充電方式，蓄電池充電機(jī)無線充電具有方便、安全、操作簡單及無機(jī)械磨損等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛關(guān)注和研究。
但是，目前電動汽車的蓄電池充電機(jī)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力電池補(bǔ)充能量，但是在充電的后期會造成電池嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，進(jìn)而縮短動力電池的使用壽命。
針對這個問題，本文提出了基于LCC的電動汽車多階段恒流蓄電池充電機(jī)無線充電技術(shù)，隨著動力電池的電量的上升，減小動力電池的充電電流的大小，進(jìn)而使得動力電池的充電電流較為接近動力電池的最佳充電曲線，進(jìn)而可以減少對動力電池的損害，延長其使用壽命，降低電動汽車的使用成本，且可以降低動力電池的更換頻率，進(jìn)而對環(huán)境更友好。
技術(shù)原理
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，副邊線圈在高頻交變磁場中感應(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汽車充電。
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，充電時間越短;電流越小，對應(yīng)的階段充電時間越長。
將動力電池的充電階段分的越多，動力電池的充電電流便越接近于最佳充電曲線，對電池的損害便越小，更有利于延長動力電池的使用壽命。若動力電池為鋰電池，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。
雙LCC諧振補(bǔ)償拓?fù)洹?br /> 如圖3所示L1是原邊線圈感值，L2是副邊線圈感值，C1、Cf1和Lf1是原邊補(bǔ)償電感和電容，C2、Cf2和Lf2是副邊補(bǔ)償電感和電容，UAB是逆變器的輸出電壓和Uab是副邊補(bǔ)償拓?fù)涞妮敵鲭妷?，M是原副邊線圈互感。i1、i2、if1和if2分別是線圈L1、L2、Lf1、Lf2的電流。
電動汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)中的磁路機(jī)構(gòu)是一個松耦合變壓器，故可將圖3中的副邊電感電容折算到原邊，得到如圖4所示的等效電路圖。為了簡化分析，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：
圖4中的變量可由公式(2)表達(dá)：
其中Lm為折算到原邊的勵磁電感。對于如圖2所示的高階系統(tǒng)，其諧振頻率有多個，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)可計算電路的諧振頻率。
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。
從式(3)可知，雙LCC可以在動力電池充電的全過程以及耦合系數(shù)發(fā)生變化的情況下保持諧振狀態(tài)，此性能非常符合電動汽車的蓄電池充電機(jī)無線充電的應(yīng)用背景，因為動力電池充電過程中其等效電阻會不斷增大，且每次充電原副邊線圈會存在不同程度的偏移，故每次充電的耦合系數(shù)也是不同的。
由式(16)可知，雙LCC補(bǔ)償拓客可以實現(xiàn)恒流輸出，且其輸出電流的大小與逆變器的輸出電壓成正比，故可控制逆變器的輸出電壓來調(diào)節(jié)動力電池的充電電流，實現(xiàn)動力電池的多階段恒流充電。
仿真驗證
在MATLAB/Simulink中搭建仿真電路，電路參數(shù)表1所示。
圖6為系統(tǒng)輸出電流波形圖。在0.06 s、0.1 s，0.14 s切換電阻，阻值依次為100 Ω、50 Ω、33 Ω及25 Ω，從圖6中可得：電阻變化前后，電流幾乎不變。電阻切換時出現(xiàn)震蕩，在短時間內(nèi)會穩(wěn)定在某一固定值。動力電池充電時，可認(rèn)為其等效內(nèi)阻在一定時間內(nèi)不變，故不會產(chǎn)生圖7中所示的震蕩。
圖8為動力電池組不同的電量時對應(yīng)的充電電流，因為在電腦中模擬的時間長度有限，故在仿真時每個階段容量設(shè)置為0.005 C。
在t1時刻將電阻由25 Ω切換到33 Ω;在t2時刻將電阻由33 Ω切換到50 Ω，得到如圖7所示的系統(tǒng)輸出電流，可看出電阻切換前后電流大小幾乎不變，可以用來實現(xiàn)電動汽車的多階段恒流充電。
但是，目前電動汽車的蓄電池充電機(jī)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力電池補(bǔ)充能量，但是在充電的后期會造成電池嚴(yán)重的極化現(xiàn)象，進(jìn)而縮短動力電池的使用壽命。
針對這個問題，本文提出了基于LCC的電動汽車多階段恒流蓄電池充電機(jī)無線充電技術(shù)，隨著動力電池的電量的上升，減小動力電池的充電電流的大小，進(jìn)而使得動力電池的充電電流較為接近動力電池的最佳充電曲線，進(jìn)而可以減少對動力電池的損害，延長其使用壽命，降低電動汽車的使用成本，且可以降低動力電池的更換頻率，進(jìn)而對環(huán)境更友好。
技術(shù)原理
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，副邊線圈在高頻交變磁場中感應(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汽車充電。
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，充電時間越短;電流越小，對應(yīng)的階段充電時間越長。
將動力電池的充電階段分的越多，動力電池的充電電流便越接近于最佳充電曲線，對電池的損害便越小，更有利于延長動力電池的使用壽命。若動力電池為鋰電池，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。
雙LCC諧振補(bǔ)償拓?fù)洹?br /> 如圖3所示L1是原邊線圈感值，L2是副邊線圈感值，C1、Cf1和Lf1是原邊補(bǔ)償電感和電容，C2、Cf2和Lf2是副邊補(bǔ)償電感和電容，UAB是逆變器的輸出電壓和Uab是副邊補(bǔ)償拓?fù)涞妮敵鲭妷?，M是原副邊線圈互感。i1、i2、if1和if2分別是線圈L1、L2、Lf1、Lf2的電流。
電動汽車蓄電池充電機(jī)無線充電系統(tǒng)中的磁路機(jī)構(gòu)是一個松耦合變壓器，故可將圖3中的副邊電感電容折算到原邊，得到如圖4所示的等效電路圖。為了簡化分析，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：
圖4中的變量可由公式(2)表達(dá)：
其中Lm為折算到原邊的勵磁電感。對于如圖2所示的高階系統(tǒng)，其諧振頻率有多個，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)可計算電路的諧振頻率。
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。
從式(3)可知，雙LCC可以在動力電池充電的全過程以及耦合系數(shù)發(fā)生變化的情況下保持諧振狀態(tài)，此性能非常符合電動汽車的蓄電池充電機(jī)無線充電的應(yīng)用背景，因為動力電池充電過程中其等效電阻會不斷增大，且每次充電原副邊線圈會存在不同程度的偏移，故每次充電的耦合系數(shù)也是不同的。
由式(16)可知，雙LCC補(bǔ)償拓客可以實現(xiàn)恒流輸出，且其輸出電流的大小與逆變器的輸出電壓成正比，故可控制逆變器的輸出電壓來調(diào)節(jié)動力電池的充電電流，實現(xiàn)動力電池的多階段恒流充電。
仿真驗證
在MATLAB/Simulink中搭建仿真電路，電路參數(shù)表1所示。
圖6為系統(tǒng)輸出電流波形圖。在0.06 s、0.1 s，0.14 s切換電阻，阻值依次為100 Ω、50 Ω、33 Ω及25 Ω，從圖6中可得：電阻變化前后，電流幾乎不變。電阻切換時出現(xiàn)震蕩，在短時間內(nèi)會穩(wěn)定在某一固定值。動力電池充電時，可認(rèn)為其等效內(nèi)阻在一定時間內(nèi)不變，故不會產(chǎn)生圖7中所示的震蕩。
圖8為動力電池組不同的電量時對應(yīng)的充電電流，因為在電腦中模擬的時間長度有限，故在仿真時每個階段容量設(shè)置為0.005 C。
在t1時刻將電阻由25 Ω切換到33 Ω;在t2時刻將電阻由33 Ω切換到50 Ω，得到如圖7所示的系統(tǒng)輸出電流，可看出電阻切換前后電流大小幾乎不變，可以用來實現(xiàn)電動汽車的多階段恒流充電。
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