电动汽车移动式无线供电系统建模与仿真

周立博

电动汽车移动式无线供电系统建模与仿真

周立博

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

为解决电动汽车采用静态无线充电方式时充电频繁、续航里程短的问题，设计了电动汽车移动式无线供电系统，并建模仿真。首先设计了一种多逆变器并联的逆变电路，以满足供电系统对大功率的需求；其次采用双边LCC补偿拓扑，并对其进行T变换后完成计算分析。最后设计了双初级绕组并联的无线供电系统和单初级绕组无线供电系统，使用MATLAB/Simulink完成模型搭建和仿真。仿真分析表明，与单初级绕组无线供电系统相比，双初级绕组并联的无线供电系统具有更高的传输功率和效率。

电动汽车；移动式无线供电；多路逆变器；双边LCC补偿拓扑

电动汽车以其清洁、无污染的独特优势在世界范围内受到广泛关注。但由于受车载电池容量和充电设施等因素的影响，电动汽车的充电问题已成为其发展和普及的主要限制之一。较为常用的插电式充电只能为一辆车充电，而无线供电概念的提出，为车载电池容量有限的问题提供了另一种解决方案。根据充电过程中发射端和接收端的位置是否发生相对变化，可将无线供电系统分为静态无线供电系统和移动式（动态）无线供电系统两种。静态无线供电存在充电频繁、续航里程短、电池容量小、成本大等限制，特别是对于电动公交车等续航要求较高的公交车辆，静态无线供电技术难以应用。因此，在实际需求的驱动下，电动汽车移动式无线供电系统应运而生。移动式无线供电系统扩展了无线供电的概念，能够对道路上行驶的电动汽车进行供电。本文的主要目的是设计一个合理的电动汽车移动式无线供电系统。为此，建立了单初级绕组无线供电系统和双初级绕组并联的无线供电系统模型，并进行了仿真分析，可以发现后者比前者具有更高的传输功率和效率。在逆变电路的设计上，本文设计的系统采用了多个逆变器并联的逆变电路，与采用由单个逆变器组成的逆变电路的系统相比能够满足供电系统的大功率需求。此外，还采用了双边LCC补偿拓扑，使系统工作更加稳定，系统原理如图1所示[1]。

图1 多初级移动式无线供电系统

无线供电系统的能量流动过程如下：供电网络提供交流电，先通过整流环节，再通过高频逆变器环节输送到总线上，电流流入多个被开关控制的原边补偿电路中，在多个初级绕组周围产生高频交流磁场。根据电磁感应原理，副边补偿电路中的接收绕组也会感应出电压，再通过多种电力变换环节为负载供电[1]。

1 系统概述

逆变电路是系统的重要组成部分，对系统的性能有着重要的影响。因此，正确合理的逆变电路设计是系统设计中的重要环节。它的工作方式是使初级侧线圈发挥作用，将高频交流电以磁场的形式传递给次级线圈。因此，所设计的逆变电路必须稳定可靠，转换效率高。电动汽车移动式无线供电系统的功率需求较大，系统应设计有足够的功率传输能力和高效率的输出变频电路。大功率逆变器的设计是系统设计中的一个主要问题，但是单个金属氧化物半导体场效应管（Metal- OxideSemiconductor Field Effect Transistor, MOSF- ET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）逆变器的容量不能满足无线供电系统的大功率要求。本文在逆变电路的设计中，采用了并联多台逆变器的方法来提高功率[2]。

当无线供电系统的谐振频率、位置、参数和负载发生变化时，其额定电流增大，传输效率降低。因此，谐振补偿是系统发射端和接收端的重要组成部分，为了使两个线圈在合适的谐振频率下工作，研究人员在系统中设计了补偿拓扑。根据补偿电容与电感线圈的连接方式将目前广泛应用于无线供电系统的补偿拓扑分为四种，即SS、SP、PS和PP[2]。其中S型表示串联补偿结构，P型表示并联补偿结构，以SS型为例，即原副边的补偿电容与电感线圈均为串联。但是在实际应用中，电动汽车无线供电系统面临着复杂的环境，这四种基本拓扑结构已经不能满足系统的实际要求。所以针对无线供电系统的复杂需求，又提出了两种复合拓扑结构LCC和CLC[3-4]。其中本文用到的LCC型表示电感线圈先与补偿电容并联，构成的并联结构再串联一个补偿电容。

图2 双初级绕组移动式无线供电系统的等效电路

本文建立的模型采用双边LCC补偿拓扑结构。拓扑的主边和次边分别由一个电感和两个电容组成。在该方法中，补偿线圈的谐振频率与耦合系数和负载条件无关。系统可以在恒定的频率下工作，这简化了控制并减少了带宽使用。初级侧和次级侧变换器可以在整个耦合和负载条件下获得接近的功率因数，整个无线供电系统的高效率需求易于实现。基于以上分析，得出了双初级绕组移动式无线供电系统的等效电路，如图2所示。

2 系统参数设计

用于电能传输的无线供电系统一直处于谐振状态，所以可以认为整个过程是由无数个静态过程组成的，如果每个无穷小的时间的整个过程都处于谐振状态，可以认为电动汽车充电过程中整个供电系统处于谐振状态。为了方便分析，以单初级绕组无线供电系统为例。将具有多个发射端的双边LCC补偿系统简化为具有单初级绕组的双边LCC补偿系统。对补偿结构进行T型变换后，计算更加方便。等效后如图3所示。

图3 双边LCC T型等效电路

图中的AB是逆变器输出电压的等效电压信号，ab是整流器输入电压等效电压。电路的参数会随等效变换而发生变化，可以用以下公式求得次级侧参数转换到初级侧的变化：

其中双边线圈的自感是1和2，线圈匝数比为，耦合系数为，为了区分方便，符号上带有“'”的是次级侧参数。根据上式就可以求得等效变换后的参数。

为了使变换后的双边能同时谐振，进行如下的设计：

如果将等效后的电路看成是一个拓扑结构，激励就是AB和ab，接下来分别讨论二者单独作用时系统的工作情况，当其中一个作为激励时，另一个就需要被短路。

当AB单独起作用时，有

此时次级侧就产生了并联谐振，副边断路。令e1为系统等效负载。

考虑e1与m的关系可以发现二者与1p形成了一个并联谐振，即

所以当UAB单独起作用时，系统的原副边都存在并联谐振。此时电路的通断情况如图4所示。

接下来考虑ab，此时输入端被短路。有s1·1p=1/0²，所以此时初级侧存在并联谐振。将'e2视为等效负载，有

同时考虑励磁电感m，可以发现二者和'2p在次级侧形成了并联谐振。

所以当ab单独工作时，谐振情况与AB单独工作时类似。电路的通断情况如图5所示。

图5 Uab单独工作时的电路通断情况

通过分析可知，当输入电压与输出电压单独工作时，系统的原副边都存在稳定的并联谐振。所以由叠加原理可知，二者共同工作时，系统的原副边也可以进行稳定的并联谐振，使无线供电系统供电过程始终处于谐振状态。

基于以上分析，给定输入电压和双边电感后，系统参数设计如表1所示。

表1 系统参数

3 仿真结果分析

在完成参数设计的基础上，利用MATLAB、Simulink对双初级绕组移动式无线供电系统模型进行仿真[5]。图6、图7为仿真结果。

图6 次级侧电流和电压在一段时间内的变化

图7 逆变器的输入电压和电流

图6为次级侧电流电压变化情况，逆变器输入电压和电流的仿真波形如图7所示。根据图6和图7，可以看到系统发生谐振，证明供电系统可以正常运行。最终输出到次级侧的电压峰值约为19 V，电流峰值约为2 A。

为了验证双初级绕组移动式无线供电系统的优越性，还对相同参数的单初级绕组静态无线供电系统进行了仿真，系统的等效电路如图8、图9所示。

图9(a)表示单初级绕组无线供电系统初级侧的谐振。可以看出，直流电源的电流和电压经过逆变电路后变为正弦交流电压和正弦交流电流，并存在一个90°电流和电压波形之间的相移。相位差是由逆变器电路中四个逆变器的开关顺序引起的。图9(b)显示了系统次级侧电流和电压在一段时间内的变化，而图9(c)显示了电流和电压的整体变化，从图9(b)可以看出逆变器电压为方波，相移角为零，输出功率小于峰值。从图9(b)和图9(c)中可以看出，输出电流保持不变，输出电压在接收器处增加，并且逐渐增加，直到峰值，逆变器电流和功率达到峰值，并且相移角仍然为0°，确保系统的最大功率从发射器传输到电池。由于负载条件的变化和流经负载的电流可能不连续，方波电压波形会有一定程度的斜率。当等效负载电阻增大时，逆变器需要增大相移角以减小传输电流，使系统以恒定的最大功率运行。

图8 WPT的等效电路

4 结语

在结构选择上，补偿拓扑采用SS型和SP型系统，输出功率大，传输效率低。PS和PP补偿使系统输出功率较低，但传输效率较高。本文采用的双边LCC补偿拓扑结合了它们的优点，对提高系统的功率和效率有很好的效果，另外，本文设计的无线供电系统采用了不同于普通单逆变器的全桥逆变电路，而是采用多台逆变器并联的方式，可以满足供电系统对大功率的需求，实现大功率输出。此外，还可以通过控制并联逆变器的数目来调节系统的输出功率。

本文除了介绍一种普通的单初级绕组无线供电系统外，还设计了一种双初级绕组并联的无线供电系统。通过实验发现，与单初级绕组相比，双初级绕组并联的供电系统能明显提高系统的传输功率和效率。但需要注意的是，采用双初级绕组时，应适当调整工作频率，以保证系统稳定运行。

[1] 吕彦辰.电动汽车无线供电系统谐振补偿拓扑结构研究与设计[D].沈阳:沈阳工业大学,2019.

[2] 耿琪琛,刘坤,程少宇,等.不同补偿拓扑结构下电动汽车无线充电系统传输特性对比[J].电力科学与工程,2021,37(9):18-25.

[3] 白佳航.磁耦合谐振移动式无线供电端变换器的研究[D].天津:河北工业大学,2019.

[4] 宋义超,李达,高嵬.基于双边LCC补偿的无线能量传输谐振电路拓扑分析[J].船电技术,2020,40(10): 22-25.

[5] 董文卓.基于PS/SP补偿拓扑的强抗偏移IPT系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.

Modeling and Simulation of Mobile Wireless Power Supply System for Electric Vehicles

ZHOU Libo

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to solve the problem of frequent charging and short cruising range when electric vehicles adopt the static wireless charging method, a mobile wireless power supply system for electric vehicles is designed and modeled and simulated. Firstly, an inverter circuit with multiple inverters in parallel is designed to meet the high power demand of the power supply system. Secondly, a bilateral LCC compensation topology is adopted, and the calculation and analysis are completed after T-transformation. Finally, a wireless power supply system with two primary windings in parallel and a single primary winding wireless power supply system are designed, and the model building and simulation are completed using MATLAB/Simulink. Simulation analysis shows that, compared with the wireless power supply system with single primary winding, the wireless power supply system with two primary windings in parallel has higher transmission power and efficiency.

Electric vehicle; Mobile wireless power supply; Multichannel inverter; Bilateral LCC compensation topology

U469.72；U463.6

A

1671-7988(2023)03-15-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.003

周立博（1997—），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车无线充电技术、分布式驱动电动汽车电子差速策略，E-mail:1349141145@qq.com。