基于LCC谐振补偿网络的无线充电技术的研究

【摘要】无线充电技术源于无线电力输送技术，利用磁共振在充电器与设备之间的空气中传输电能，接收线圈通过磁耦合就能在两端得到感应电压，传统方式是同时利用电容等形成谐振，提供线圈的无功补偿，实现电能高效传输的技术。但是在无线磁共振电能传输系统中，由于发送线圈与接收线圈之间往往具有很大的间隔，或者没有对齐，使得两个线圈之间互感系数往往很低。通常情况下都小于0.3。为了避免线圈漏磁造成的电感对于电能传输的阻碍，往往需要对发送和接收线圈使用电容进行补偿。串联补偿电路虽然设计简单，但是对于发送系统存在不稳定情况。特别是当负载出现较大波动时，会引起发送线圈中的电流出现很大的波动。而LCC谐振补偿因具有极强的适应性和可预测性被广泛用于电动汽车等以发送接收端位置相对不固定的的无线充电场合中。提高了系统的稳定性。

【关键词】无线充电 LCC谐振网络补偿恒压恒流

【Abstract】Wireless charging technology originates from wireless power transmission technology, which uses magnetic resonance to transmit electric energy in the air between the charger and the device. The receiving coil can obtain the induced voltage at both ends through magnetic coupling. The traditional way is to use both at the same time. Circuits such as capacitors form resonance, provide reactive power compensation of the coil, and realize the technology of high-efficiency transmission of electric energy. However, in the wireless magnetic resonance power transmission system, the mutual inductance between the two coils is often very low due to the large distance between the transmitting coil and the receiving coil, or the misalignment. Usually it is less than 0.3. In order to avoid the inductance caused by the magnetic leakage of the coil from hindering the transmission of electric energy, it is often necessary to compensate for the use of capacitors in the transmitting and receiving coils. Although the design of the series compensation circuit is simple, it is unstable for the transmission system. Especially when the load fluctuates greatly, it will cause the current in the transmitting coil to fluctuate greatly. The LCC resonance compensation is widely used in electric vehicles and other wireless charging applications where the position of the transmitter and receiver is relatively unfixed because of its strong adaptability and predictability. Improve the stability of the system.

1引言. 1

2 基本LCC补偿网络原理. 1

2.1 LCC补偿网络结构. 1

2.2 LCC网络的T型简化. 2

2.3 T型网络的参数整定. 2

2.3.1 LCC-LCC补偿网络恒流输出的理论基础. 3

2.3.2 LCC-LC补偿网络恒压输出的理论基础. 4

2.3.3 LCC补偿网络系统阻抗理论分析. 5

3 LCC补偿网络系统方案设计. 6

3.1 系统设计方案概览. 6

3.2 恒流输出系统方案实现. 8

4 LCC补偿网络的优势分析. 9

5 基于大学生智能汽车竞赛的LCC-LCC无线充电设计. 9

6 基于大学生智能汽车竞赛的LCC-LCC无线充电实验分析. 10

6.1 LCC-LCC补偿网络设计计算. 10

6.2 LCC-LCC补偿网络的参数测量. 11

7 总结. 12

1引言

随着石油能源短缺和环境污染的加剧，新能源电动汽车成为我国大力发展的交通工具，然而现有的插拔式充电桩成为制约其发展的关键因数，其暴露的插头存在漏电及电击击穿等潜在危险，且容易产生接触火花，安全性不高。感应电能传输（inductive power　transfer，IPT）技术是基于法拉第电磁感应定律，实现无线电能传输的技术，具有安全稳定性高和环境亲和力强等优点，因此IPT非常适合新能源电动汽车无线充电领域。对电动汽车蓄电池进行充电应尽可能满足马斯曲线，以最低的出气率实现快速充电，即恒流－恒压分阶段充电方法。当蓄电池电量比较低时，采用恒流充电提高充电速度；当电量接近饱和时，采用恒压充电涓流充电直至饱和。

但是在无线磁共振电能传输系统中，由于发送线圈与接收线圈之间往往具有很大的间隔，很难实现对齐，使得两个线圈之间互感系数往往很低。这种在实际情况会更糟。车模上的接收线圈往往很难对准发送线圈的中心。为了避免线圈漏磁造成的电感对于电能传输的阻碍，往往需要对发送和接收线圈使用电容进行补偿。其效率实验数据高达75% 左右。串联补偿电路虽然设计简单，但是对于发送系统存在不稳定情况。特别是当负载出现较大波动时，会引起发送线圈中的电流出现很大的波动。为了适应负载的波动，往往采用LCC电路补偿形式。它可以在了负载变化的情况下，维持发送线圈中的电流恒定，从而提高了系统的稳定性。

2 基本LCC补偿网络原理

在LCC复合补偿拓扑，切换控制开关实现恒流－恒压输出功能。当电路工作在 LCC－LC拓扑时，可以实现在变负载情况下恒电压输出，当电路工作在 LCC－LCC拓扑时，可以实现在变负载情况下恒电流输出，满足电动汽车三阶段充电电求。本文对感应电能传输系统采用互感模型进行分析，推导得出该复合补偿拓扑电路具有可以恒流恒压输出特性，同时系统总体输入阻抗角为０，实现 ZPA（zero phase angel）特性，提高电动汽车无线充电效率。

2.1 LCC补偿网络结构

LCC电路补偿是指在原来的发送线圈上增加三个补偿器件，它们组成一个T型的电路网络：

T型左边支路：串联补偿电感Lp

T型右边支路：串联补偿电容Cps

T型下边支路：并联补偿电容Cpp

其中发送和接收线圈采取对称的LCC补偿方案

图1 LCC-LCC对称T型补偿电路

2.2 网络的T型简化

相比原来串联补偿，只有一个补偿电容参数，在设计时只需要考虑到电路谐振频率便可以求出补偿电容的参数。

采用LCC补偿方案，每边补偿网络的参数变成了三个参数：Lp,Cps,Cpp。这使得电路设计变得复杂。

为了简化设计，往往以下面对称T型网络为基础来设计电路。在负载Z0与电源Ui之间，使用了两个jX（电感）和一个-jX（电容）组成了一个T型补偿网络。其中三个器件在工作频率下对应的电抗幅值均相同。因此这个电路在设计过程中只有一个参数X，因此设计过程得到简化。图2 基本LCC简化网络

2.3 T型网络的参数整定

LCC复合恒流－恒压无线充电系统，主要包含LCC-LCC补偿结构和LCC-LC补偿结构，分别实现电动汽车无线充电的恒流和恒压输出功能

2.3.1 LCC-LCC补偿网络恒流输出的理论基础

图３　LCC-LCC恒流输出等效电路

图３所示为LCC-LCC恒流输出电路，Zin、Zs、Zp、Zpr分别是系统相应等效阻抗。是逆变电路输出方波电压，对进行傅里叶展开分析可得：

（1）

采用基波分析法，其有效值为，电路工作在谐振角频率

（2）

由于发射端电感、电容、构成一个谐振网络，因此发射线圈输出的电流恒定，与负载无关。根据法拉第电磁感应定律，当发射和接收线圈距离固定位置后，接收端为一个恒压源。

（3）

对图3所示KVL方程组：

（4）

其中：

（5）

进而可得：

（6）

通过式（6）可得，它与负载Z0没有关系。如果负载Z0就是对应的发送线圈中对应副边的反射电阻，这也说明发送线圈中的电流I0不会随着负载的变化而改变，这使得系统保持稳定。

如果接收线圈已经进行很好的电容补偿，对应线圈的负载假设为RL，那么通过发送和接收线圈的耦合，在发送线圈所对应的反射电阻.因此，无论实际负载RL的变化，还是发送和接收线圈之间的互感M的变化，反映在发送线圈中都是改变了对应的反射阻抗的大小。因此负载端电流与负载电阻大小无关，即负载变化不影响设计输出电流大小。

2.3.2 LCC-LC补偿网络恒压输出的理论基础

图４　LCC-LC恒压输出等效电路

LC恒压输出等效电路如图４所示，发射端电感、电容、构成一个谐振网络，因此发射线圈输出的电流恒定，与负载无关。根据法拉第电磁感应定律，当发射和接收线圈距离固定位置后，接收端的感应电源为一个恒压。

（7）

当系统工作于谐振频率时，，可得，。进而可以知道，此时负载端电压不受负载变化而变化，实现恒压输出。

2.3.3 LCC补偿网络系统阻抗理论分析

感应电能无线传输技术依靠发射线圈和接收线圈电磁场进行能量传递，若系统中不存在无功功率消耗，即输入阻抗为纯阻性，输入电压和电流的相角差为零。若系统等效负载呈现强容性或感性，则增加系统功率损耗和降低效率，因此必须分析电路负载特性。

（1）LCC-LCC网络恒流系统阻抗理论分析

系统工作于LCC-LCC恒流充电模式如图3所示，接收端等效阻抗：

（8）

其中：

因为此时系统工作于谐振频率：

（9）

则：（10）, （11）

（2）LCC-LCC网络恒流系统阻抗理论分析

当系统工作于恒压充电模式如图4所示，接收端等效阻抗：

（12）

（13）

（3）系统整体阻抗理论分析

系统整体输入阻抗（14）

其中：

则：（15）

当系统工作于恒流模式时，有：（16）

当系统工作于恒压模式时，有：（17）

分别对系统工作于恒流和恒压模式下输入阻抗进行分析，输入等效阻抗都呈现纯阻性，即电压和电流的相位差为0，实现系统实现 ZPA（zero phase angel）特性。

3 LCC补偿网络系统方案设计

3.1 系统设计方案概览

磁感应耦合式和磁耦合谐振式 WPT 技术利用电磁感应原理，通过发射线圈产生交变电磁场，将能量发射到接收线圈从而实现无线电能传输。磁感应耦合式 WPT 技术的特点是可以实现较大功率的电能传输，在较短距离内传输效率很高，但随着距离的增加，电能传输效率迅速降低。磁耦合谐振是磁感应耦合的特例，利用发射线圈和接收线圈的磁耦合谐振实现高效率较远距离的电能传输。电磁耦合式无线电能传输具有传输功率高、传输效率高、鲁棒性强等优点，是目前使用最广泛的无线充电技术。如图5所示，一个完整的 ICPT（感应耦合式电能传输）系统由原边电路和副边电路两部分结构组成。

图5 ICPT（感应耦合式电能传输）系统结构

原边电路分为四部分：电源、逆变电路、原边补偿电路和发射线圈。类似的，副边电路也包括四个部分：接收线圈、副边补偿电路、输出电压或功率调节电路和充电电池。整个系统类似于一个具有间隙的松耦合变压器，电能的无线传输通道是发射线圈与接收线圈之间的气隙。ICPT 系统的发射线圈和接收线圈可以是单个或多个。逆变电路将直流电转换成高频交流电，经过谐振补偿电路在发射线圈中产生高频正弦交流电，发射线圈中的交变电流产生交变磁场使副边接收线圈产生感应电压，接收线圈上的感应电压经过副边补偿电路和电压调节电路向负载提供能量。ICPT 系统与变压器的工作原理具有相似之处，均根据电磁感应定律，通过原边线圈产生交变磁场使副边线圈产生感应电压来实现能量传输。不同的是ICPT 系统中，发射线圈与接收线圈完全分离，磁路是通过气隙连通，并不像变压器依靠良好的磁导体相连。空气磁路的磁阻比变压器磁芯的磁阻大得多，ICPT 系统的耦合系数比变压器小得多，漏感大，最大传输功率和传输效率都受到明显影响，引入LCC网络补偿电路则成为解决这一问题的关键。

3.2 恒流输出系统方案实现

图 6 双边 LCC 补偿网络的无线充电系统原理图

采用双侧 LCC 补偿网络的恒流输出模式可以通过将其作为电流源来实现。然而，在这种工作模式下，系统的输入阻抗要求呈纯阻性，即能实现谐振腔输入电压和电流之间的零相角 ZPA( Zero Phase Angle) 。因此，需要设计谐振腔，使输入阻抗相位等于零。保证能够使补偿网络恒流输出。

根据公式（16）可得出以下公式

LCC 基本电抗：(18)

其中为设计系统所需的输入电流

输出电感：(19)

并联电容：(20)

串联电容：(21)

根据上述（19）（20）（21）即可得到基本的副边LCC网络参数，而对于原边的设计可以采取该种电流控制形，通过交替导通时间的PWM控制方式来间接的实现平均功率的控制。

4 LCC补偿网络的优势分析

对无线充电系统中双边 LCC 补偿槽恒流恒压的输出特性进行了研究，再在磁耦合变压器优化的基础上，使该系统能够满足无线充电管理条例的频率标准范围。同时，该无线充电系统还具有以下优点:

( 1) 无需添加附加电路去变换谐振腔，即在实现恒流与恒压切换时，不需要任何额外的开关和相关驱动电路来改变谐振腔。

( 2) 每一个恒流模式和恒压模式几乎都可以实现单个谐振频率运行，避免了分叉问题，提高了系统的可靠性。

( 3) 消除了后端的 dc /dc 变流电路。由于在前沿研究中，谐振腔只是在谐振频率上工作，以达到效率的最优化，因此后端的 dc /dc 变流电路是实现恒流和恒压运行的关键。而该补偿拓扑的应用解决了此问题。

( 4) 对于搭建的无线充电系统，恒流和恒压的输出效率都可以达到 90% 以上，具有显著的实用性。总之，该系统在成本、复杂度和整体效率方面都具有较大的优势。

5 基于大学生智能汽车竞赛的LCC-LCC无线充电设计

对于第十六届全国大学生智能汽车竞赛而言，有一个很特别的组别，即节能信标组，在比赛任务中，信标在点亮后同时会发送高频无线功率的电磁信号（150kHz）和红色、红外灯光用于导引车模前往。发送的高频无线功率信号也可以通过电磁共振耦合为节能车模提供大约50W充电功率。比赛时，车模从第一个信标开始接受电能，自行启动去往下一个信标。当车模通过运行到达信标上之后，信标的灯便切换到下一个信标，但本地的信标依然发送无线电能，直到车模离开本地的信标灯，本地信标停止发送无线电能，下一个信标灯开始发送无线信号。

但是由于车模行驶到发送线圈上，依靠简单的光电或者磁场定位，车模上的接收线圈往往很难对准发送线圈的中心。在无线磁共振电能传输系统中，由于发送线圈与接收线圈之间往往具有很大的间隔，或者没有对齐而引起的两个线圈之间互感系数往往很低。通常情况下都小于0.3。在激烈角逐的比赛过程中情况只会更加糟糕。为了避免线圈漏磁造成的电感对于电能传输的阻碍，往往需要对发送和接收线圈使用电容进行补偿，而对于传统的LC-LC补偿的无线充电系统，效率在75% 左右。但是对于发送系统存在不稳定情况。特别是当负载出现较大波动时，会引起发送线圈中的电流出现很大的波动。会造成系统的极大不稳定性，无功分量剧增，系统的稳定性和鲁棒性降低。

为了适应负载的波动，往往采用LCC电路补偿形式。它可以在了负载变化的情况下，维持发送线圈中的电流恒定，从而提高了系统的稳定性。

图7 智能汽车竞赛节能信标组发射器发射部分原理图

对于比赛官方商家龙邱给出的原理图，我们不难看出其发送端采用LCC补偿网络来限制发送电流的突变，同时利用TPS28225MOS驱动器驱动双臂MOS管来发送电能，通过串联电阻和共模抑制拆分放大器来实现功率的检测，利用STM32F030F4来实现逻辑的控制，通过改变双臂MOS管的导通时间来实现功率的简单限制。

考虑到发送端采用LCC的补偿网络，其接收端我们也选择了LCC的恒流接收网络进行电路设计，以实现功率的极大获取。其接收电路的参数计算来自计算公式（19-21）进行计算。

6基于大学生智能汽车竞赛的LCC-LCC无线充电实验分析

6.1 LCC-LCC补偿网络设计计算

根据已知设计条件有：

假设设计参数设定输出电流，利用示波器测量接收线圈两端的空载输入电压，接收线圈电感利用电感表测得为：，工作频率：150KHZ：

根据计算公式（19-21）LCC参数计算可得LCC 基本电抗。，输出电感：并联电容：；串联电容：；

6.2 LCC-LCC补偿网络的参数测量

图8 LCC补偿网络有功功率曲线---万用表测量

图9 LCC补偿网络视在功率曲线---单片机测量

（黄—电流紫—电压红—视在功率）

对于节能信标组充电方案进行了对比。采用LCC补偿网络的无线发送模块不仅提高了发送功率上限，也通过LCC网络补偿保证了无线电磁场恒定，这就是的接收线圈方案可以更加的稳定可靠。

充电方案可以简单的给电能接收线圈串联（非并联）谐振电容，然后通过全桥整流后直接对法拉电容充电。这种方案利用发送模块的功率限制能力保持在充电的稳定性。但是在充电一开始会有很大的电流冲击，有可能会造成整流二极管损坏。在充电末期，充电速度明显降低了。充电最高电圧受到接收线圈与发送线圈之间的互感量有关。可以通过设计接收线圈的尺寸和匝数，确定最高充电电压。同时系统的接收功率也会随着充电电压的升高而升高但是最后都趋于饱和（发射端的功率限制和过功率保护引起）。而充电电流也随之下降。

在接收电路中通过LCC补偿网络，可以保证接受电流的稳定性。同时在不改变接收线圈尺寸和匝数的情况下，只是通过调整LCC的参数便可以调整接受电流的大小。由于LCC补偿网络的恒流特性，法拉电容充电电压理论上可以非常高，因此，需要在接受的过程中即时观察法拉电容上的电压，一旦超过阈值，则需要车模迅速离开充电区域。

7 总结

给出了两种针对无线充电系统抗异常干扰的充电双侧电路的分析和设计方法，通过建立恒流LCC-LCC和恒压LCC-LC网络结构的数学模型，得到负载阻值与二次侧输出电流成正相关的关系，同时分析短路解耦的暂态过程，并证明了恒压恒流的理论基础。这种两种方法结构简单，能够在二次侧不与一次侧进行通信情况下对充电系统稳定性进行极大的提高，且普遍适用于耦合线圈恒流恒压特性的拓扑。提高了系统的稳定性和鲁棒性。

在基于LCC-LCC谐振网络基本特性，分析了补偿线圈与主线圈，以及初次级补偿线圈之间解耦的必要性。基于此提出了一种线圈集成的方式，实现了补偿线圈主线圈集成，有助于提高系统的功率密度。最后通过基于全国大学生智能汽车竞赛节能信标组充电线圈实验验证了所提线圈集成方法的可行性，实现了补偿线圈与主线圈，以及初次级补偿线圈之间的解耦，系统稳定工作，且最高系统效率可达75.5％。

参考文献

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