電動汽車無線充電系統(tǒng)SS型補償拓撲研究 ①

高俊嶺, 張 強

(安徽理工大學電氣與信息工程學院,安徽 淮南 232000)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展以及環(huán)保等方面的要求，電動汽車迎來了高速發(fā)展，電動汽車無線充電技術(shù)也受到了廣泛的關(guān)注。在靜態(tài)無線充電系統(tǒng)中，為了補償漏感，需添加相應(yīng)的補償電路，目前有SS型、SP型、PS型以及PP型這四種基本的補償電路。本文對SS型補償拓撲進行分析，采用控制變量法，通過Matlab軟件對其進行仿真實驗。進而根據(jù)仿真結(jié)果研究SS型進行補償拓撲的無線充電系統(tǒng)在不同的電阻、電感和頻率下系統(tǒng)的輸出功率、傳輸功率的變化特點。

1 磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)

目前的無線充電技術(shù)主要包括電磁波輻射式、電磁感應(yīng)式以及磁耦合諧振式無線充電技術(shù)等，其中磁耦合諧振式無線充電技術(shù)的傳輸功率較大且適合中距離傳輸，更適合應(yīng)用于電動汽車無線充電領(lǐng)域。

在磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)中，首先會將電網(wǎng)提供的交流電進行整流濾波轉(zhuǎn)化為直流電，然后再進行高頻變換使其成為高頻交流電，最后通過由補償網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈組成的原邊諧振單元來為副邊提供電能。副邊的補償網(wǎng)絡(luò)和接收線圈組成接收端諧振單元，此諧振頻率與原邊諧振單元的諧振頻率相同，副邊接收的電能為高頻交流電，然后通過整流濾波和一系列后續(xù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔀殡妱悠囍械碾姵毓╇姷闹绷麟姟ｋ妱悠嚧篷詈现C振式無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

2 無線充電系統(tǒng)SS型補償拓撲分析

磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)相當于松耦合變壓器，系統(tǒng)中存在著大量的漏感，通過在系統(tǒng)中添加電容可以補償漏感，提高系統(tǒng)的輸出功率和效率。補償電容和電感線圈的連接形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，系統(tǒng)中有原邊和副邊兩組電感線圈，因此整個系統(tǒng)一共可應(yīng)用四種基本的補償拓撲。這四種補償電路包括SS型、SP型、PS型以及PP型[2]。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 補償拓撲結(jié)構(gòu)圖

以SS型補償拓撲為例，添加輸入電壓及負載，得到SS型補償電路的互感等效模型，并對其進行分析。其結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 SS型補償拓撲的等效電路模型

如圖3所示，U1為原邊電路輸入電壓，C1為原邊電容，R1為原邊線圈內(nèi)阻，L1為原邊電感，-jωMI2為原邊互感等效電壓源；jωMI1為副邊互感等效電壓源，L2為副邊電感，R2為副邊線圈內(nèi)阻，C2為副邊電容，RL為負載電阻。M為電感線圈的互感。對原、副邊列寫回路方程有：

(1)

(2)

(3)

(4)

由(3),(4)式可得整個系統(tǒng)的輸入、輸出效率：

(5)

(6)

則可得系統(tǒng)的傳輸效率：

(7)

3 SS型補償拓撲的負載特性分析

圖4 輸出功率隨負載的變化曲線

圖5 效率隨負載的變化曲線

由圖4可知，SS型結(jié)構(gòu)電路的輸出功率隨負載的增大而線性增大，并且由公式(6)可得系統(tǒng)的輸出功率可由改變U1而改變，且根據(jù)公式(7)，系統(tǒng)的效率并不受U1變化的影響。

由圖5可知，系統(tǒng)的效率在0～3Ω時較低，但效率的增長速度很快，在3～30Ω這一階段效率的增速緩慢，但效率值均高于80%。電動汽車充電過程中的電池等效電阻一般在3～20Ω之間，因此SS型結(jié)構(gòu)電路可在電動汽車無線充電過程中保持高效率。

4 SS型補償拓撲的互感特性分析

圖6 輸出功率隨互感的變化曲線

圖7 效率隨互感的變化曲線

電動汽車停車充電時的位置，汽車充電設(shè)備距離地面的位置等都會導致互感的變化，電動汽車無線充電系統(tǒng)的互感大致在10～30μH之間，在這一階段由圖6可知，隨著互感的增加，輸出功率在不斷下降，但其仍保持較高的數(shù)值。而根據(jù)圖7，隨著互感的增加，系統(tǒng)的效率在提高，且效率都在80%以上，由此可知SS補償拓撲的電路在電動汽車無線充電系統(tǒng)的互感范圍內(nèi)可保持較高的輸出功率和效率。

5 SS型補償拓撲的頻率特性分析

以系統(tǒng)的角頻率ω為自變量，ω在400×103rad/s-600×103rad/s之間，負載RL分別取10Ω和15Ω，互感M=20×10-6H，其他參數(shù)同上，在對系統(tǒng)進行分析時要注意的是頻率的改變會導致系統(tǒng)出現(xiàn)非諧振的情況，因此式(5)、式(6)和式(7)都會發(fā)生相應(yīng)的改變，此時有：

(8)

(9)

圖8 輸出功率隨角頻率的變化曲線

圖9 效率隨角頻率的變化曲線

(10)

依據(jù)式(8)、式(9)和式(10)進行matlab仿真，結(jié)果如下圖：

由圖8和圖9可知，系統(tǒng)的輸出功率和效率均在ω=500×103rad/s處達到峰值，說明諧振頻率是該系統(tǒng)的最佳頻率。并且峰值處較為平緩，說明系統(tǒng)可以承受一定的頻率波動。然而輸出功率和效率在系統(tǒng)頻率與諧振頻率有較大出入時會急劇下降，這說明了系統(tǒng)運行過程中要避免頻率波動過大。

6 結(jié) 語

SS型補償拓撲結(jié)構(gòu)簡單，電動汽車充電過程中的電池等效電阻為3～20Ω之間，互感大致在10～30μH之間[8]，在這些條件的約束下SS型補償拓撲的電動汽車磁耦合諧振電路系統(tǒng)仍能保持較高的輸出功率和效率；并且通過頻率特性分析可知，SS型補償拓撲的電動汽車磁耦合諧振系統(tǒng)還能夠承受較大范圍的頻率波動。因此SS型補償拓撲可作為電動汽車磁耦合諧振電路的最優(yōu)補償電路。