电动汽车无线充电系统的设计与仿真研究

2022-08-12郭进国鲁民巧

邢台职业技术学院学报 2022年3期

关键词：接收端双边谐振

郭进国，鲁民巧

（河北科技工程职业技术大学，河北邢台 054035）

一、无线充电的分类及磁共振式充电原理

1.无线充电的分类

按照无线充电的工作原理来划分,无线充电大致可以分为三种类型：它们分别是磁辐射式、磁感应式和磁共振式。三种常用无线充电方式的技术特性如表1 所示。

表1 三种常用无线充电方式的技术特性对比

通过对表1 的分析，结合电动汽车无线充电所需的高功率、高效率、适中距离和高可靠性的充电特性，本文采用磁共振式无线充电系统作为研究对象。

2.磁共振式无线充电的原理

磁共振式无线充电是以电磁场为能量的传播媒介，通过发射端和接收端组成的强电磁耦合机构来实现电能的无线传递。其工作原理如图1 所示。

图1 磁共振式无线充电的工作原理简图

众所周知，对于一个普通的耦合机构而言，如果发射端和接收端的谐振频率不一致，发射端和接收端一起只能组成一个松耦合机构，松耦合机构的电能传输功率和传输效率都很低，不适合用于电动汽车的无线充电系统。电动汽车的无线充电系统需要一个强电磁耦合机构来实现电能的快速、高效传输。

电动汽车磁共振式无线充电系统由地面发射端和车辆接收端两部分构成。在地面发射端，工频整流器把220V、50Hz 的工频交流电转换为直流电，然后高频逆变器将直流电逆变成无线充电系统工作所需频率的交流电，并以此来激励地面发射端的发射线圈，地面发射端一侧补偿电路的作用是调整发射线圈的谐振频率，使其与高频逆变器的驱动频率达到一致。车辆接收端的接收线圈通过电磁互感，在接收线圈中感应出电动势，进而产生电能。车载接收端一侧补偿电路的作用是使接收端的谐振频率与发射端保持一致，高频整流器将接收线圈中感应出的交流电转换为无线充电所需的直流电，从而给电动汽车的电池组充电。通过这种工作方式，发射端和接收端共同组成一个强电磁耦合机构，这个强电磁耦合机构就能实现电能的快速、高效无线传输。

磁共振式无线充电技术有着传输距离合适、传输功率和传输效率等级高、抗干扰能力强等优点，最适合电动汽车无线充电系统的使用。

二、电动汽车磁共振式无线充电系统的电路设计和仿真建模

磁共振式无线电能传输系统主要有以下三部分构成：（1）电磁耦合机构；（2）补偿电路；（3）开关电源控制器及控制方法。

电磁耦合机构主要研究耦合线圈的形状、匝数、材料和排列设计等，它是实现无线电能传输的关键机构，它决定着无线充电系统传输功率的大小和传输效率的高低。补偿电路可分为基本补偿电路和高阶补偿电路两类。基本补偿电路只需要一只电容器就可以补偿掉耦合线圈的自感，并使地面发射端和车辆接收端构成的谐振系统具有相同的工作频率，根据耦合线圈和电容的连接形式不同，可以组合成四种基本的补偿电路：（1）串-串（Series-Series，简称SS）；（2）串-并（Series-Parallel，简称SP）；（3）并-串（Parallel-Series，简称PS）；（4）并-并（Parallel-Parallel，简称PP）。目前，已有许多科研人员对于四种基本补偿电路的功率、效率、电压和电流增益、电压输出特性和抵抗线圈偏移等特性进行了深入研究，四种基本补偿电路都存在着恒压或恒流输出特性不足的问题。为了克服以上问题，人们提出了许多不同形式的高阶补偿电路。本文也提出了一种适合中、小型电动汽车无线充电系统使用的双边LCC型补偿电路。

开关电源控制器主要包括高频逆变器和整流器两部分，通过选用驱动频率合适的高频逆变器以及桥式整流器，结合优秀的控制方法，能够解决系统的阻抗和工作状态之间的关系问题，解决系统输出特性与负载阻抗的关联问题，力争实现系统输出特性和负载阻抗无关。

本文提出了一种基于单线圈双边LCC 型补偿电路的无线充电系统，其基本电路设计图如图2 所示。

图2 单线圈双边LCC 型无线充电系统电路图

这种单线圈双边LCC 型补偿电路无线充电系统主要由交流电源、工频整流器、高频逆变器、谐振系统、高频整流器和负载电阻等组成。

交流充电电源来自于220V、50Hz 的工频交流电，D1～D4组成的整流二极管组把工频交流电整流成直流电，Q1～Q4组成高频逆变器，高频逆变器把直流电逆变成谐振系统工作所需的高频交流电，U1为高频逆变器的输出电压。谐振系统包含发射端谐振系统和接收端谐振系统两部分，发射端谐振系统由发射线圈L1和补偿电容C1、C2组成，接收端谐振系统由接收线圈L2和补偿电容C3、C4组成，M 为发射线圈和接收线圈之间的互感，当高频逆变器的驱动频率与系统的谐振频率一致时，发射端呈现纯阻性阻抗，发射线圈受到高频逆变器输出电流的激励在其周边产生磁场，接收端的接收线圈处在该磁场中，产生感应电动势，这样电网电能就能从发射端无线传输到了接收端，感应电压U2通过D5～D8组成的高频整流器变成直流电，再通过滤波电容C5滤除杂波，进而提供稳定的直流电给电池组供电。

三、单线圈双边LCC 型无线充电系统的仿真分析

为了分析线圈的耦合系数和负载阻值对单线圈双边LCC 无线充电系统传输功率和传输效率的影响，我们利用MATLAB 软件中的SIMULINK 仿真平台，建立了单线圈双边LCC 型无线充电系统的仿真模型，并对仿真的结果进行分析。表2 为单线圈双边LCC 型无线充电系统的结构仿真参数。

表2 单线圈双边LCC 型无线充电系统的结构仿真参数

通过MATLAB 软件提供的SIMULINK 仿真模块进行分析，我们发现耦合线圈的电磁耦合系数和系统的负载阻值对电能无线传输的功率和效率有着重要的影响。其中电磁耦合系数对无线传输功率和传输效率的影响曲线如图3 和图4 所示，负载阻值对无线传输功率和传输效率的影响曲线如图5 和图6 所示。

图3 电磁耦合系数对传输功率的影响

图4 电磁耦合系数对传输效率的影响

图5 负载阻值对传输功率的影响

图6 负载阻值对传输效率的影响

通过图3 所示的曲线我们可以看出，随着耦合线圈电磁耦合系数的增加，传输功率先是快速上升，然后到达最大值后缓慢下降，下降的速度相比之前上升的速度明显较小。当线圈的电磁耦合系数位于0.2附近时，单线圈双边LCC 型无线充电系统可以获得较高的传输功率。

从图4 我们可以看出，随着线圈电磁耦合系数不断增加，整个系统的传输效率快速上涨，并在到达一定的数值后，系统的传输效率开始趋于稳定。当线圈的电磁耦合系数高于0.2 时，单线圈双边LCC 型无线充电系统将获得80%以上的电能传输效率。

通过图5 所示的曲线我们可以看出，负载阻值在大于85Ω时，单线圈双边LCC 型无线充电系统最大传输功率可以达到3 kW 以上，目前中、小型电动汽车的电池容量在18 kWh 左右，而要保证其充电时间在6 小时以内，其充电功率应大于3 kW，因此对于中、小型电动汽车无线充电而言，单线圈双边LCC型无线充电系统能够满足它们的日常无线充电要求。

从图6 我们可以看出，当负载阻值在60 Ω～100 Ω之间变化时，单线圈双边LCC 型无线充电系统都能达到80%以上的电能传输效率，能够满足电动汽车无线充电系统对传输效率的一般要求。