基于Saber仿真下电动车无线充电技术的应用分析

安宁宁，张效蘂，王录阳，魏文亮，张新国

（1.天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃 天水 741020；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司国际工程分公司，天津 300450；3.中国石油渤海钻探工程有限公司塔里木钻井分公司，新疆 库尔勒 841000）

本文以新形势下需求为出发点，着重对新能源电动汽车无线充电技术进行了研究。在仿真软件下，根据SS补偿参数计算，在改变不同电路参数情况下对无线充电技术的建模进行推导，验证所搭建模型的正确性和可实施性。展望了该项技术在新能源电动车无线充电领域的发展前景，同时也提出该项技术亟待解决的问题。

1 无线充电谐振模型

磁耦合式无线能量传输的两个线圈的耦合系数非常低，漏电感值变大，不利于无线充电系统的正常工作。为了提升系统的充电功率和工作效率，通常采用电容在发射线圈和接收线圈进行无功补偿，使两个线圈工作在谐振状态。这样，电网只要提供所需的有功功率，就可提高系统的输出功率，增大传输效率。无线充电谐振模型图如图1所示。

图1 无线充电谐振模型图

图中，Us为恒压源，Im为恒流源，CS为一次侧谐振电容，CR为二次侧谐振电容，LS为发射线圈，LR为接收线圈，ML为互感，RS为一次侧线圈的内阻，RR1为二次侧线圈的内阻，IP为一次侧闭合电路的电流，IS为二次侧充电过程中的电流，RL为负载。

假设电压源US的工作频率为ω，则一次侧闭合电路的等值阻抗为

二次侧充电回路的等值阻抗为

耦合阻抗为

谐振模型的基尔霍夫电压方程为

谐振模型的输出电压为

为深化公司精准培训工作，公司团委制定了《以导师带徒为抓手，深化精准培训工作方案》。“有的青工长期在一个岗位上工作，职责内的工作都能扛起来。但是他们在工作中是否还有更高的需求，是否还存在短板？需要我们去实地调研掌握。”齐鲁石化烯烃厂团委副书记李晓杰刚刚从车间调研回来，发出这样的感慨。

一次侧输入功率为

二次侧输出功率为

根据上面公式可知，两侧功率与电源的工作频率关系密切。当输入电源的工作频率和谐振网络的频率接近时，功率和效率达到最大值，充电系统频率与无线传输频率曲线图如图2所示。在无线充电过程中，必须保证充电系统的频率与无线传输的频率一致。

图2 充电系统频率与无线传输频率曲线图

当系统接入负载后，最低输出电压保证最低值，电流限制在一定值内，功率限定在合理范围内。可以看出，传输网络一次侧的电容与电源频率和一次侧线圈的电感特性有关，系统稳定可靠，适用于大中型系统间的功率传递。

2 SS传输网络能量策略研究

2.1 SS谐振结构模型验证

本小节根据上一节模型计算公式的结果、软件仿真值和试验数值，逐一证实了一次侧输入电流和电感值；并得出二次侧输出电流和电感值，通过对两者之间得出的结果对比，证实了传输网络的正确性和稳定性。系统参数：假定系统的工作频率f＝65Hz，一次侧线圈电感值 LS＝70μH，一次侧线圈阻抗 RS＝0.6Ω，二次侧线圈的电感值 LR＝70μH，二次侧线圈阻抗 RR1＝0.6Ω，负载电抗 RL＝0.6Ω，模型谐振电容的计算公式为

通过调节一、二次侧线圈的距离来调整两者之间的互感量。通过电工软件进行理论数据的初步计算。软件计算数据表如表1所示。系统实验数据表如表2所示。

表1 软件计算数据表

表2 系统实验数据表

根据表1和表2的数据，可画出相应的曲线图。定义x轴为互感M（μH），纵轴为一、二次侧的电流和功率。输出电流与互感关系图如图3所示。输出功率与电流关系图如图4所示。

图3 输出电流与互感关系图

图4 输出功率与电流关系图

2.2 SS传输结构频率特性分析

从前面解析可知，传输系统工作在谐振工作点时，系统的功率和效率趋近于最大值，但是二次侧负载发生变化，此时系统的频率会发生畸变，在分析时为了方便，设定一次侧和二次侧的参数是相等的，根据电工学公式，当IS（ZS）＝0时，可得

式中的系数k由互感和电感的比值得到。将公式等效为二次函数，当 b2－2ac＞0，此时函数有两个实数解，此时ω数值不确定，就会出现系统频率畸变的现象，当b2－2ac＝0时，函数会产生一个临界值

由上述公式解析可得出结论：在传输系统参数一定的情况下，无线充电系统会出现频率畸变现象，引起畸变的因素和一、二次侧线圈阻尼系数ζ存在着一定联系，阻尼系数越小，传输系统畸变现象越明显。

3 软件Saber仿真及试验结果

Saber广泛用于电源变换器设计、电路仿真和伺服系统设计、多技术仿真工业产品设计等多领域，兼容模拟、数字、控制量混合仿真。6.6kW串串SS补偿模型仿真电路如图5所示。

图5 6.6kW串串SS补偿模型仿真电路

图6 接收端在输出电压371V时的功率波形图

图7 测试平台逆变器输出电流波形图

图8 接收端在不同参数下的功率波形图

从上面图形可以看出，随着负载电阻的增大，网络感性也增强，这与电池充电过程相吻合。

4 结论

本文对磁耦合式无线能量传输系统的基本原理进行了讨论，对仿真模型中相关参数进行了数学计算，在软件条件下对SS谐振结构模型的能量传输做了详细数据分析和结果论证，并在一台恒流输出控制试验系统中对其数学推导的理论数据做了进一步的实验验证，实现了电动汽车无线充电技术的应用推广，充电效率可达85%。但是该研究成果还需要更进一步的完善和优化，比如一、二次侧线圈的材料选型、制作工艺等都会影响到系统的热损耗，这也将是以后科研攻关的重点突破方向。