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在电动和插电式混合动力汽车中对于无线充电的集成的LCC补偿拓扑结构
摘要：这篇论文提出了一个对电动汽车和插电式混合动力汽车无线充电系统的一个集成的LCC补偿拓扑结构。研究了LCC结构上的附加线圈和主线圈它们之间耦合的影响。提出的拓扑结构将会减小附加线圈的体积并且可以使系统更加紧凑，更高效。基于基波近似法，分析提出的拓扑结构的基本特征。此外，基于稳态模型，三种操作模式将会被呈现出来并且被分析。为了实现零电压开关，调整二次侧的串联电容的大小。一个数值法用来分析在关断电流下的不同的影响，并且选择最优的来建立模型来验证分析。
关键词：电流源，电动汽车，操作模式，无线电能传输，零电压开关
- 介绍
无线充电的科技，也指的是无线电能传输或者感应电能传输，已经成功地应用到了低功率的层面，例如生物医学植入设备和智能手机的应用。随着在电动汽车和插电式混合动力汽车快速发展的利益，无线充电，作为一个新的电池充电方式，最近已经吸引了研究者，汽车生产商和顾客的注意。相较于导电的电能传输，无线电能传输更方便，抗天气干扰好，并且具有电力冲击保护。一些公司，比如WiTricity，Evatran，Qualcomm等等，已经发展了能以在可以接受的效率下的3.3千瓦功率传输的产品。然而，无线充电仍然有更多的研究需要被做来最优化效率，减少成本，提升偏差容错程度，并且减少无线电能传输充电系统的体积。
无线电能传输是被Nikola Tesla第一个发现的。无线电能传输的基本原则是能量通过由发射线圈的高频电流产生的电磁场来传输。用于接收能量的谐振电路应该与发射端的谐振电路具有一致的频率。麻省理工学院对这个原则给了一个更好地解释，并且这个原则通过在强耦合磁场谐振体制下使用自感线圈被证实。在无线电能传输中，有很多的研究领域。比如，补偿网络和电路分析，对于大间隙和偏差容许的线圈设计技术，对于高效率的优化问题，控制方式，异物检测和安全问题。在这些领域中，补偿网络是十分重要的，因为它可以有助于去调整谐振频率，最小化功率补偿，提高耦合和功率传输能力，实现高效率。对于电动汽车和插电式混合动力汽车的应用，耦合系数随着汽车的离地间距和偏差的变化而变化。这将会导致电路的参数和一些补偿网络的谐振频率变化。因此，这是至关重要的对于电动汽车和插电式混合动力汽车的无线充电去设计一个合适的补偿拓扑结构。
基于发射线圈和接受线圈的连接电容的方式，四种基本的补偿拓扑结构被表明， SS,SP,PS,和PP被广泛采用，这里第一个S或者P代表在电容和发射线圈串联或者并联，第二个S或者P代表在电容和接收线圈串联或者并联。这些拓扑结构的一个系统的分析可以在文献[14]和[27]-[29]被找到。补偿拓扑结构的部分依赖于应用。在文献[28]中，一个优化的方法被提出来从经济的角度去选择补偿拓扑结构。结构显示那个SS和SP拓扑结构更适合高功率传输并且SS补偿拓扑结构要求更少的铜。然而，为了减少开关损耗来实现软开关的方法再本篇论文中不予论述。在文献[14]中，它表明SS补偿拓扑结构似乎是一个最好的拓扑结构，因为系统可以工作在一个固定的频率下，与耦合系数和负载无关。然而，PP补偿拓扑结构被采用到工作中因为一个并联补偿的发射器可以提供一个大电流和一个并联补偿的接收器有电流源特性，这个更适合电池充电。当系统工作在被设计好的频率下时，这是正确的。然而，谐振条件将会随着耦合系数和负载条件的变化而变化。这已经被广泛接受，当工作在谐振频率时，无线电能传输系统可以获得最大的效率。对于SS拓扑结构，可能存在一或者两个谐振频率，它取决于耦合系数[30]。这和分叉现象很相似[14]，这是不可避免的对于四种基本补偿拓扑结构，并且给控制器的设计带来了困难。
在文献中，一些其他的新颖的补偿拓扑结构已经被提出来了。一个串并串的补偿拓扑结构在文献[29]中被提出。这个特定的拓扑结构，它由一个与发射线圈串联和并联的电容和一个与接收线圈串联的电容组成，具有SS和PS拓扑结构的特性。因为一个并联电容被接入，谐振条件将会随着负载情况变化而变化，并且当负载偏离设定值时，输入功率的零相位角则无法实现。在文献[31]中，一个LCL并联谐振电路被应用到无线电能传输上。在文献[32]中，在发射端和接收端都使用了LCL网络。这使得发射端有一个定值电流的特性。这对具有多个接收端的无线电能传输系统是至关重要的。另一个叫做CLCL网络的补偿拓扑结构在文献[33]中被提出了。在文献[34]中，CLCL被应用到发射端和接收端，并且一个数学的模型被提出。由于对称的拓扑结构和相位调制控制方法，感应电能传输系统可以实现双向的能量传输。然而，在这些拓扑结构中，附加的电感器的电感与主线圈的电感相等或者更大。此外，这些电感器需要额外的空间来放置。
图1 集成的LCC补偿拓扑结构
在这篇论文中，一个集成的LCC补偿拓扑结构被提出。补偿的拓扑结构如图1所示，它由一个电感和两个电容，和主线圈组成，它在发射端和接收端形成了一个类似于LCL的T型网络结构。电感器（在这篇论文中叫做附加电感器或者附加线圈）与主线圈（发射线圈或者接收线圈)在同一边耦合。因此，附加的线圈和主线圈可以被集中在一起，并且对于附加线圈的额外空间就不需要了。这个集成的结构相较于为集成的结构，可以和更小的附加电感也能传输相同的能量。这个被提出的拓扑结构，它的谐振频率扔独立于耦合系数和负载条件。输出电流和发射端的电流都是常数，和负载条件无关。当无线电能传输系统工作在准谐振频率下时，它可以通过控制输入电压在不同的操作条件下实现能量传输。
基于基波近似法，集成的LCC补偿拓扑结构的分析会被呈现，并且基本的特征会在第二部分被描述，开路情况会在第三部分被分析。基于稳态分析的操作模式会在第四部分被论述。一个调整电路来实现零电压开关的数值方法将在第五部分被介绍。实验和仿真结果会在第六部分被比较。结论在第七部分。
- 交流分析
被提出的集成的LCC补偿拓扑结构如图1所示。发射端包含一个高频逆变器和一个补偿谐振电路，谐振电路由一个LCC补偿网络和发射线圈组成。逆变器由4个功率MOS管（）组成的全桥。，和组成了LCC补偿网络。接收端有一个对称的LCC补偿网络，整流器和LC滤波电路。在这个拓扑结构中，不仅两个主线圈，和相互耦合，主线圈和附加线圈在同一边也会耦合（称为，与耦合，和耦合）。互感分别是,和，
（1）
这里，和是耦合系数。
当随着汽车离地间隙和偏差的变化而变化时，认为和是一个常数。在这个论文中，由于线圈的设计，耦合系数的范围被限制在0.14到0.3。总而言之，对于插电式混合动力汽车和电动汽车无线电能传输系统，其存在一个很大的漏感，一个小的互感。仅仅互感能够对能量传输起作用。因此，通过串联一个电容来补偿自感是至关重要的。为了简单起见，在这个论文中，在发射端和接收端的主线圈被设计的一样。
为了得到LCC补偿拓扑结构的基本特性，在交流分析中，方波输入电压和输出电压被它们的基波等效。假设能量的传输仅仅通过基波分量，所有的高次谐波的作用忽略不计。所有使用的元件视作理想的，并且只考虑连续操作模式。两个主线圈和看做一个包含受控源的两个解耦电路等效成的变压器。因此，紧凑的无线充电系统的解耦模型可以获得，如图2（a）所示。假设图2的电路被一个角频率为正弦电压源所驱动。电路可以由下列方程简化：
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
我们可以发现发射端和接收端都是一个简单的LCL谐振变换器。如果工作在谐振频率下，LCL谐振变换器的一个特征就是输出电流是不变的，仅和输入电压有关。关于LCL谐振变换器详细的分析在文献[35]和[36]中被论述。至于这个网络，在发射端，我们设定
（8）
（9）
从式（2）到式（9），下列关系可以推导出：
（10）
从式（2），式（8）和式（10），下列方程可以被推导出：
（11）
从式（10）和式（11）可知，一旦，，和确定，如果我们忽略由发射端和接收端相位位置的变化带来的电感的变化和由温度变化引起的电容的变化，谐振频率可以看做是固定的。因此，谐振频率独立于耦合系数和负载条件。
通过基尔霍夫定律，可以很容易得到
（12）
（13）
相似的，在接收端，当，和，下列方程能被推导出：
（14）
（15）
把式（1）和式（15）和式（1）和式（12）分别代入式（13）和式（14），我们可以得到
（16）
（17）
把作为一个参考，并且定义
（18）
这里是输入电压的有效值。很明显是一个单位向量。
因为是一个被动的电压，它的方向取决于整流桥的二极管的导通模式。它应该和保持同相位，因此下列方程可以得到：
（19）
然后，式（12）和式（15）-（17）可以被表示成
（20）
（21）
（22）
（23）
在发射线圈上的电流是不变的，并且仅仅与输入电压有关。如果发射线圈同时传输能量给几个接收线圈的话，这是一个非常重要的特性。此外，当一个具有无线充电系统的插电式混合动力汽车和电动汽车停靠时，主线圈的耦合系数会确定。因此，输出电流也是不变的，它仅仅和输入电压有关。这适合电池充电。
从式（18）和式（22），很明显可以看出输入电流和输入电压相位差是0,。功率因数是1。因此，输出功率可以表示成：
（24）
这里和是输入电压和输出电压的有效值。接收端的主线圈的大小被汽车底部空间限制了。因此，主线圈的尺寸和她们的电感，和被限制了。这个将导致无线电能传输系统的输出功率受限，可以从（24）中看出想要获得期望的功率，就要设计更合理的附加电感值，更合理的主线圈和附加线圈的耦合系数和主线圈。此外，如果从发射端到接收端传输和那种附加线圈和主线圈无耦合的情况相同的能量，附加线圈的电感会更小。
- 开路分析
式（23）表明，如果系统工作在谐振频率，输出电流与输入电压，两个主线圈的耦合系数和元件参数有关。系统是个电流源，与负载无关。系统的开路如图3所示。发送端的等效电路和图2一样。然而，作为一个开路，在上的电流是0，接收端的等效电路则不同。电感没有参与谐振电路，鉴于之前的分析，这是不会改变谐振频率的。因为和的耦合，它仅仅影响整流前的电压。
如果输入电压是一个余弦波入下式所示：
（25）
图3 无线充电开路情况
那么对于接收端，下列方程可以推导出：
（26）
（27）
这里是接收端电容和的总电压。在式（27）中的和由初始条件决定。
根据式（27）可知，电容的电压会随时间而增加。这是不允许的。实际上，电路中总会有内阻存在。为了简单起见，电路的内阻等效成主线圈（和）的电阻，并且可以得到微分方程
（28）
这里是接收端串联主线圈的等效电阻，并且很小，如果，。考虑内阻的情况下，电容电压的表达式是
（29）
如式（29）部分所示，电容电压随着时间将会保持稳定。然而，当系统在运行时，如果电池突然脱离无线充电系统，电压将会变得非常高导致电容爆炸。因此，开路保护对集成的LCC补偿拓扑结构是非要必要的。实际中，一个电压传感器会用来检测二次侧的并联电容的电压。这个电压将会与门限电压作比较，来控制一个连接端子a和b的双路开关。用这种方法，开路保护在实验中被实现了，由于页数限制，在这篇论文中不作更加详尽的论述。
另一方面，由于系统的电阻的存在，只要输入电压足够高，能量才能传输到电池。对于开路，当系统处于稳态时，在整流之前的电压是
（30）
电池的电压是。如果，那将会没有能量输出。因此，应该比一个定值更大，如式（31）来确保能量传输
（31）
- 操作模式分析
由于高次系统和谐振机制，在有或者无电感的情况下，系统具有一个得谐振频率，所以对于无线电能传输的集成的LCC补偿网络的操作是复杂的。当在接收端的整流桥的二极管都处于关断的情况下，没有的谐振电路被形成。当操作频率固定在谐振频率时，在一个开关周期内，系统能操作在几个阶段，其取决于电路元件的参数，两个主线圈的耦合系数，输入电压，和负载条件（输出电压）。由于对称性，仅只用分析一半的开关周期。在图1中，仅当端子a和b之间的电压高于电池的电压时，在接收端的整流桥的二极管才会导通。以端子a和b之间的电压为特点，当和开通，和关断时，在一半的周期内，存在三种可能的谐振阶段，分别叫做，正向加强阶段（阶段P），反向加强阶段（阶段N）和开路阶段（阶段O）。因为被提出的补偿拓扑结构被输入电压控制，当输入电压从0增加到最大值时，无线电能传输系统将会先后通过四种操作模式。操作模式按照整流桥的导通状态被分为关断模式（CUTOFF），断续导通模式（DCM），和连续导通模式（CCM）。取决于不同的顺序组合，DCM可以被分成DCM1和DCM2。
第四部分，在这个部分被使用的电路参数的例子如表1和表2所示。
- 谐振阶段
集成的LCC补偿拓扑结构在全周期内的6个等效电路模型如图4所示。根据第3部分的分析，很有必要考虑电路的内阻。在下列的部分里，电路的内阻等效成连接到主线圈的电阻如图4所示的和，并且只有一半
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