基于LCC-S补偿式谐振拓扑的锂电池WPT系统研究.pdf

第 卷第 期 年 月常 州 工 学 院 学 报 .:./.收稿日期:基金项目:安徽省教育厅高校自然科学研究重点项目()安徽省教育厅高等学校省级质量工程项目(、)芜湖职业技术学院横向项目()作者简介:葛胜升()男安徽芜湖人副教授.主要研究方向为电子控制技术、电池充电技术基于 补偿式谐振拓扑的锂电池 系统研究葛胜升(.芜湖职业技术学院汽车与航空学院安徽 芜湖 .南京航空航天大学自动化学院江苏 南京)摘要:无线电能传输()系统具有安全、可靠、方便等优点 文章在分析 系统锂离子电池内阻及其典型充电方式的基础上通过对 原理和谐振拓扑结构的研究提出了基于 补偿式谐振拓扑的 系统 在电池等效负载变化的情况下通过合理的参数设计 补偿式谐振拓扑结构可以分别实现与负载无关的恒流模式和恒压模式无需切换拓扑结构 在理论分析的基础上设计了系统的参数并通过 仿真系统搭建仿真模型验证了研究中的恒流模式和恒压模式关键词:补偿式谐振拓扑无线电能传输系统恒压恒流中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:引言在生活、交通、工业、农业、医疗等领域电能作为一种洁净、实用、经济、方便的能源发挥着非常重要的作用是与人们生活息息相关、不可或缺的能源 电能的传输主要有两种方式即接触式第 期葛胜升:基于 补偿式谐振拓扑的锂电池 系统研究传输方式与无线式传输方式 传统的接触式传输方式是通过插座与电线连接传送电能存在一些难以避免的缺点如插头插座易形成电火花、环境的适应性差、电线易磨损等 相比之下无线式传输方式具有无磨损、无电火花、便捷安全、环境适应性强等诸多优势 因此无线式传输方式已经广泛应用在手机、笔记本电脑、新能源汽车的无线充电场合目前人们常用的手机、笔记本电脑、电动汽车等设备的供电多使用锂电池 锂电池具有高能量密度和大功率的承载能力但是在对其进行充电时为了延长电池的使用寿命需要防止过充现象发生因此需要对锂电池的内阻情况及其典型充电方式进行研究 赫会东提出了锂电池内阻主要由欧姆内阻和极化内阻两个部分组成其中欧姆内阻主要随着温度的变化而变化极化内阻随着电池内部极化水平的变化而变化 吴丽君等给出了电动汽车锂电池典型的充电曲线锂电池多采用先恒流、再恒压两阶段充电方式曲线如图 所示图 锂电池分阶段典型充电曲线首先是恒流阶段即锂电池充电电流始终保持固定不变锂电池的充电电压在逐渐增大当增大到设立的阈值电压则恒流阶段转换到恒压阶段恒压阶段即锂电池充电电压始终保持固定不变锂电池的充电电流逐渐降低先恒流、再恒压两阶段充电方式具有延长电池寿命的优点 锂电池在充电的过程中自身内阻会发生变化因此要确保设计的无线电能传输()系统电池内阻发生变化的情况下也具有恒压恒流的特征 笔者曾设计了基于 与 复合式谐振拓扑的锂电池 系统但是要进行两种拓扑结构的切换需要通过 个开关来实现开关在切换瞬间会造成充电电压跳变的问题会对电池的使用寿命造成影响本文设计了基于 补偿式谐振拓扑的 系统即一次侧采用复合式 补偿拓扑网络二次侧采用串联 补偿拓扑网络 本文首先建立了 补偿拓扑的 系统等效电路模型通过对 拓扑网络的理论分析认为其在输入阻抗相位为零的前提下能分别实现恒流和恒压的输出特性并设计了系统电路中的各参数 最后通过仿真验证了所设计的 系统理论分析的正确性 补偿式谐振拓扑理论分析.谐振网络等效电路模型 谐振网络等效电路模型如图 所示一次侧电路模型的参数有:为一次侧串联的补偿电感为一次侧并联的补偿电容为一次侧串联的补偿电容为一次侧线圈自感为经逆变后的桥臂输入电压 二次侧电路模型的参数有:为二次侧串联的补偿电容为二次侧线圈自感为二次侧电路的等效负载电阻 为电路模型中的互感系数图 谐振网络等效电路模型.恒压输出可行性分析根据谐振网络等效电路模型二次侧的电路等效阻抗 为:()二次侧在一次侧的折射阻抗 为:()()当二次侧的线圈自感 和串联补偿电容 发生谐振时即满足:()根据式()、()、()综合可得:()()常州工学院学报 年()()根据式()可得在二次侧谐振下二次侧电路等效阻抗为纯电阻折射到一次侧的阻抗也是纯电阻 根据图 所示一次侧等效电路的输入电压 与各参数的关系式、与输入阻抗 的关系式分别为:()()/()当一次侧在谐振点满足以下关系式:()()将式()、()分别代入式()、()可得:()()()将式()代入二次侧电路即当二次侧发生谐振时输出电压 等于二次侧的感应电压:()由式()可得电压的放大倍数:()综合以上对 谐振网络等效电路的分析由式()可得一次侧线圈的电流 只与输入电压、一次侧串联补偿电感、角频率 有关当这些参数一定时一次侧线圈的电流 是恒定的不受负载变化等因素影响由式()可得输入阻抗 只与等效负载电阻、一次侧串联补偿电感、互感 有关为纯阻抗性质即满足一次侧等效电路的输入电压 和输入电流无相角差系统中无输入的无功功率因而传输效率更高由式()可得输出电压 只与互感、输入电压 和一次侧串联补偿电感 有关当这些参数一定时即可实现恒压输出不受负载变化的影响由式()可得系统的电压放大倍数 与互感 成正比与一次侧串联补偿电感成反比电压放大倍数易于调节.恒流输出可行性分析根据图 所示根据 可得:()/()()()()综合式()、()化简得到 输出电流为:/()式中:()()()()()()()()从式()可得如果式()中的 那么输出电流 就与负载电阻 没有关系此时输出电流 即可实现恒流输出因此通过合理设计参数系统可实现恒流输出特性 拓扑结构设计本文提出一种基于 的补偿式谐振拓扑的锂电池 系统如图 所示 为直流输入电压 个开关管、构成逆变器为 经逆变后的一次侧桥臂交流输入电压为一次侧桥臂交流电流为一次侧串联的补偿电感为一次侧并联的补偿电容为一次侧串联的补偿电容为为一次侧线圈自感 为电路模型中的互感系数为二次侧线圈自感为二次侧串联的补偿电容、为 个二极管为滤波电容为二次第 期葛胜升:基于 补偿式谐振拓扑的锂电池 系统研究侧交流电压(经 个二极管组成的桥式整流器整流再经滤波后给锂电池充电)为电池的充电电压为电池的充电电流 邹静等给出了采用迭代法决定系统电路参数的步骤在不同的负载下 补偿 系统可在某一频率点处的充电电压为固定值且输入阻抗相位是零此频率点称为 同时在某一频率点处的充电电流为固定值且输入阻抗相位是零此频率点称为 图 补偿式谐振拓扑结构 参数设计及仿真验证.参数设计根据图 中的 补偿式拓扑结构基于 仿真软件建立了 系统的仿真模型模型中的参数为:恒流阶段的充电电流 为 为.恒压阶段的充电电压 为 为.一次侧串联的补偿电感为.一次侧串联的补偿电容 为 一次侧并联补偿电容 为.耦合变压器一次侧自感 为 耦合变压器二次侧自感 为 二次侧串联的补偿电容 为.互感系数 为.输入直流电压 为 恒流阶段下电池的等效电阻由 变成 当电池的等效电阻上升至 时系统从恒流频率.切换到恒压频率.在恒压阶段下电池的等效电阻由 变成 .仿真验证图 为系统在恒流模式下的仿真波形此时系统工作在频率点.图()电池等效电阻为 充电电流为.图()电池等效电阻为 充电电流为.通过分析恒流模式下仿真波形的数据可知锂电池的充电电流恒定在 变化范围仅为.基本恒定不变且通过观察一次侧桥臂电流 与一次侧桥臂电压 的波形关系可见它们为同相位即为纯阻抗性质因而传输效果更好从而验证了上述理论分析的正确性()恒流模式下电池等效电阻为 ()恒流模式下电池等效电阻为 图 恒流模式下仿真波形(.)图 为系统在恒压模式下的仿真波形此时系统工作在频率点.在图()电池等效电阻为 充电电压为.图()电池等效电阻为 充电电压为.通过分析恒压模式下仿真波形的数据可见锂电池的充电电压恒定在 变化范围仅为 基本恒定不变且通过观察一次侧桥臂电流 与一次侧桥臂电压 的波形关系可见 略滞后 基本为同相位即为纯阻抗性质保证了高传输效率从而验证了上述理论分析的正确性 结论本文针对锂电池的典型充电特性提出一种基于 补偿式谐振拓扑的 系统通过对补偿式谐振拓扑结构进行分析设计了 拓扑结构及其参数在电池等效电阻变化的情况下该系统在两个频率点可分别实现恒流模式和恒压模式通过两个频率点的切换即可实现两种常州工学院学报 年()恒压模式下电池等效电阻为 ()恒压模式下电池等效电阻为 图 恒压模式下仿真波形(.)模式的转换无需对拓扑网络进行改变有效减少了系统中的元件个数降低了系统成本和复杂程度 且在两种模式下系统均为纯阻抗输入保障了系统的无线传输效率符合锂电池 系统的充电特性最后通过仿真系统 软件对设计的系统进行了验证与理论分析相一致参考文献葛胜升.基于脉冲充电的电动汽车铅酸蓄电池快速充电技术研究.绵阳师范学院学报():.雷蕾陈宏滨.基于萤火虫算法的无线可充电传感器网络的充电策略.桂林电子科技大学学报():.郝会东.锂电池无线电能传输系统的研究与设计.西安:长安大学.吴丽君李冠西张朱浩伯等.一种具有恒流恒压输出自切换特性的电动汽车无线电能传输系统拓扑.电工技术学报():.葛胜升.基于 与 复合式谐振拓扑的电动汽车锂电池无线充电系统.绵阳师范学院学报():.邹静徐耘英彭娟娟等.基于频率切换实现电池恒流和恒压充电的 补偿 系统研究/.电源学报().:/./.责任编辑:刘景平