1. 项目背景与核心价值
LCC-LCC谐振拓扑无线充电系统是当前中高功率无线能量传输领域的主流解决方案。相比传统的SS/SP拓扑，LCC-LCC结构通过双谐振网络实现了更好的参数解耦特性，能够独立调节电压增益与零相角频率，这为系统控制策略设计带来了更大的灵活性。
在实际工程中，恒流（CC）与恒压（CV）充电模式是锂电池充电曲线的两个关键阶段。传统开环控制难以应对耦合系数变化、负载波动等工况，而基于移相控制的闭环方案通过实时调节全桥逆变器的相位差，可以实现：
- 充电电流/电压的精确跟踪
- 软开关状态的维持
- 系统效率优化
这个Simulink仿真模型完整实现了LCC-LCC无线充电系统的动态闭环控制，包含：
- 双LCC谐振网络参数计算模块
- 全桥逆变器移相控制逻辑
- 基于PID的CC/CV切换控制算法
- 负载动态变化测试场景
2. 系统建模关键步骤
2.1 LCC谐振参数设计
谐振参数直接影响系统的工作频率选择和功率传输能力。对于发射侧(Lp, Cp, Cf)和接收侧(Ls, Cs, Cf)的双LCC网络，其参数计算需满足：
code复制ω0 = 1/√(LpCp) = 1/√(LsCs) # 谐振角频率一致
k = Lm/√(LpLs) # 耦合系数补偿
Q = √(Lp/Cp)/Rac # 品质因数约束
典型设计流程：
- 根据传输距离确定耦合系数k范围（0.1-0.4）
- 选择工作频率f0（85kHz/100kHz等标准频段）
- 计算基波等效负载Rac=8Vout²/(π²Pout)
- 通过k值反推Lm，进而确定Lp/Ls比值
- 用Q值约束确定Cp/Cs值
注意：Cf容值需满足Xcf ≪ Rac，通常取谐振电容的5-10倍
2.2 移相控制实现
全桥逆变器采用双移相控制(DPS)，通过调节两个桥臂的导通相位差δ来控制输出电压。在Simulink中通过以下模块实现：
matlab复制% 移相PWM生成核心代码
function [g1,g2,g3,g4] = DPS_Control(phase_shift, fsw)
carrier = sawtooth(2*pi*fsw*t, 0.5);
g1 = (carrier < duty_ratio) & (phase_counter < phase_shift);
g2 = (carrier > 1-duty_ratio) & (phase_counter >= phase_shift);
g3 = ~g1;
g4 = ~g2;
end
关键参数对应关系：
- 相位差δ=0°时输出最大电压
- 每1°相位变化约对应0.3%输出电压调节量
- 死区时间通常设置为开关周期的2-3%
2.3 CC/CV闭环控制策略
采用状态机实现充电模式自动切换：
code复制State Transition Logic:
IF Iout < Iref AND Vout < Vref → CC Mode
ELSEIF Vout ≥ Vref → CV Mode
PID控制器参数整定经验：
- CC模式：Kp=0.5, Ki=50, Kd=0.01 （快速电流跟踪）
- CV模式：Kp=0.2, Ki=20, Kd=0 （平滑电压调节）
3. Simulink模型搭建要点
3.1 主电路建模技巧
-
谐振网络建议采用Fundamental Harmonic Approximation (FHA)方法简化：
- 用受控源替代实际MOSFET桥
- 使用理想变压器模型表示耦合线圈
-
参数化建模方法：
matlab复制Lp = Simulink.Parameter(100e-6);
Lp.StorageClass = 'ExportedGlobal';
- 非线性元件设置：
- 二极管开启电压设为0.7V
- MOSFET导通电阻Rds(on)按实际器件规格设置
3.2 控制环路实现
电流/电压采样环节需加入：
- 二阶低通滤波（截止频率≥10倍开关频率）
- 量化处理（12bit ADC分辨率）
- 采样延迟补偿（1.5个开关周期）
PWM生成模块关键配置：
- 载波频率 = 开关频率 × 100（确保足够分辨率）
- 死区时间 = 100ns（根据器件特性调整）
4. 仿真结果分析
4.1 动态响应测试
在t=0.1s时负载从50Ω突变为25Ω：
- CV模式：输出电压超调<3%，恢复时间8ms
- CC模式：电流波动<1%，无超调
耦合系数k从0.3阶跃到0.2时：
- 系统能在5ms内重新稳定
- 效率下降约7个百分点
4.2 效率特性
| 功率等级 | 效率(δ=30°) | 效率(δ=60°) |
|---|---|---|
| 500W | 92.1% | 89.7% |
| 1kW | 90.3% | 86.5% |
| 2kW | 88.9% | 83.2% |
效率下降主要来自：
- 开关损耗随相位差增大而升高
- 谐振电流RMS值增加导致导通损耗
5. 工程实践注意事项
-
参数敏感度排序（从高到低）：
- 谐振电容容差（需<5%）
- 耦合系数测量误差
- 电感直流电阻
-
常见故障处理：
- 振荡现象：检查PID参数是否过冲，适当增大微分项
- 软开关失效：确认死区时间设置，测量ZVS实现情况
- 模式切换抖动：在切换阈值处加入±2%滞回区间
-
实测与仿真差异修正：
- 增加2-3μH的寄生电感补偿
- 在MOSFET两端并联300pF电容模拟结电容
- 考虑散热导致的参数漂移（温升每10°C，L值变化约0.3%）
这个模型经过实测验证，在3kW无线充电系统上可实现：
- 恒流精度：±1.5%
- 恒压精度：±0.8%
- 全负载范围内ZVS实现
- 峰值效率93.2%