㊀第３９卷第１期㊀㊀㊀㊀㊀佳木斯大学学报(自然科学版)㊀㊀Ｖｏｌ.３９Ｎｏ.１㊀２０２１㊀年０１月㊀㊀㊀ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｍｕｓｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)㊀Ｊａｎ.㊀２０２１
文章编号:１００８－１４０２(２０２１)０１－００２７－０４
电动汽车无线充电系统ＳＳ型补偿拓扑研究①
高俊岭ꎬ㊀张㊀强
(安徽理工大学电气与信息工程学院ꎬ安徽淮南２３２０００)
摘㊀要:㊀随着电动汽车的普及ꎬ电动汽车的无线充电技术受到了广泛的关注ꎮ磁耦合谐振式无线传输系统的传输功率大ꎬ传输距离适中ꎬ因此磁耦合谐振式无线充电技术普遍应用于电动汽车无线充电ꎮ磁耦合谐振式无线充电系统可视为松耦合变压器ꎬ系统的原㊁副边线圈之间存在较大的漏感ꎬ需要添加相应的补偿拓扑来提升系统的功率和传输效率ꎮ对ＳＳ型补偿拓扑进行分析ꎬ并通过Ｍａｔｌａｂ软件对其进行仿真ꎬ分析在不同的负载㊁电感和频率下系统的输出功率㊁传输效率的改变ꎮ结果显示ＳＳ型补偿拓扑的磁耦合谐振式无线传输系统可以承受较大范围的频率波动ꎬ输出功率和传输效率也较高ꎬ表明该拓扑结构适用于电动汽车无线充电系统中ꎮ
关键词:㊀磁耦合谐振ꎻＳＳ型补偿拓扑ꎻ输出功率ꎻ传输效率
中图分类号:㊀ＴＭ４６４㊀㊀㊀㊀文献标志码:㊀Ａ
０㊀引㊀言
随着科技的发展以及环保等方面的要求ꎬ电动汽车迎来了高速发展ꎬ电动汽车无线充电技术也受到了广泛的关注ꎮ在静态无线充电系统中ꎬ为了补偿漏感ꎬ需添加相应的补偿电路ꎬ目前有ＳＳ型㊁ＳＰ型㊁ＰＳ型以及ＰＰ型这四种基本的补偿电路ꎮ本文对ＳＳ型补偿拓扑进行分析ꎬ采用控制变量法ꎬ通过Ｍａｔｌａｂ软件对其进行仿真实验ꎮ进而根据仿真结果研究ＳＳ型进行补偿拓扑的无线充电系统在不同的电阻㊁电感和频率下系统的输出功率㊁传输功率的变化特点ꎮ
１㊀磁耦合谐振式无线充电系统
目前的无线充电技术主要包括电磁波辐射式㊁电磁感应式以及磁耦合谐振式无线充电技术等ꎬ其中磁耦合谐振式无线充电技术的传输功率较大且适合中距离传输ꎬ更适合应用于电动汽车无线充电领域ꎮ
在磁耦合谐振式无线充电系统中ꎬ首先会将电网提供的交流电进行整流滤波转化为直流电ꎬ然后再进行高频变换使其成为高频交流电ꎬ最后通过由补偿网络与发射线圈组成的原边谐振单元来为副边提供电能ꎮ副边的补偿网络和接收线圈组成接收端谐振单元ꎬ此谐振频率与原边谐振单元的谐振频率相同ꎬ副
边接收的电能为高频交流电ꎬ然后通过整流滤波和一系列后续处理转变为可为电动汽车中的电池供电的直流电ꎮ电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统的结构图如图
１ꎮ
图１㊀电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统
２㊀无线充电系统ＳＳ型补偿拓扑分析磁耦合谐振式无线充电系统相当于松耦合变压器ꎬ系统中存在着大量的漏感ꎬ通过在系统中添加电容可以补偿漏感ꎬ提高系统的输出功率和效率ꎮ补偿电容和电感线圈的连接形式有串联和并联两种ꎬ系统中有原边和副边两组电感线圈ꎬ因此整个系统一共可应用四种基本的补偿拓扑ꎮ这四种补偿电路包括ＳＳ型㊁ＳＰ型㊁ＰＳ型以及ＰＰ型[２]ꎮ其结构图如图２所示ꎮ
①收稿日期:２０２０－１１－２３
基金项目：国家自然基金项目(Ｕ１６１０１２０)ꎮ
作者简介：高俊岭(１９６６－)ꎬ女ꎬ安徽淮南人ꎬ副教授ꎬ硕士ꎬ研究方向：电力电子与电力传动㊁计算机控制技术ꎮ通讯作者：张强(１９９５－)ꎬ男ꎬ河北保定人ꎬ硕士ꎬ研究方向：电力电子技术ꎮ
佳木斯大学学报(自然科学版)
２０２１
年
图２㊀补偿拓扑结构图
汽车动力改装
以ＳＳ型补偿拓扑为例ꎬ添加输入电压及负载ꎬ得到ＳＳ型补偿电路的互感等效模型ꎬ并对其进行分析ꎮ其结构图如图
３ꎮ
图３㊀ＳＳ型补偿拓扑的等效电路模型
如图３所示ꎬＵ１为原边电路输入电压ꎬＣ１为原
边电容ꎬＲ１为原边线圈内阻ꎬＬ１为原边电感ꎬ－ｊωＭＩ２为原边互感等效电压源ꎻｊωＭＩ１为副边互感
等效电压源ꎬＬ２为副边电感ꎬＲ２为副边线圈内阻ꎬＣ２为副边电容ꎬＲＬ为负载电阻ꎮＭ为电感线圈的互感ꎮ对原㊁副边列写回路方程有:
Ｕ１＝Ｉ１(Ｒ１＋ｊωＬ１＋
１
ｊωＣ２)－ｊωＭＬ２(１)Ｕ１＝Ｉ１(Ｒ１＋ｊωＬ１＋１
ｊωＣ２
)－ｊωＭＬ２(２)
令ＺＳＳ１＝Ｒ１＋ｊωＬ１＋１
ｊωＣ１ꎬＺＳＳ２
＝Ｒ２＋ＲＬ＋
ｊωＬ２＋
１
ｊωＣ２
ꎬ联立(１)ꎬ(２)式则有:Ｉ１＝
Ｕ１ＺＳＳ２
ＺＳＳ１ＺＳＳ２＋(ωＭ)２
(３)Ｉ１＝
ｊωＭＵ１
ＺＳＳ１ＺＳＳ２＋(ωＭ)２
(４)
串联谐振时有ｉωＬ＋１
ｊωＣ２
＝０ꎬ若忽略线圈的内阻Ｒ１ꎬＲ２ꎬ则ꎬＺＳＳ１ＺＳＳ２＝０ꎬＩ２＝ｊＵ宝来hs
１ωＭ
ꎬ所以ＳＳ型补
偿拓扑的输出电流与负载ＲＬ无关ꎬ该系统的输出
可看作电流源ꎮ
世界豪车由(３)ꎬ(４)式可得整个系统的输入㊁输出效率:
ＰＳＳｉｎ
＝Ｕ１Ｉ１＝
Ｕ２１(Ｒ２＋ＲＬ)Ｒ１(Ｒ２＋ＲＬ)＋(ωＭ)２
(５)ＰＳＳｏｔ
＝Ｉ２２
ＲＬ＝(ωＭ)２Ｕ２１[Ｒ１(Ｒ１＋ＲＬ)＋(ωＭ)２]２
ＲＬ
(６)
则可得系统的传输效率:
η＝ＰＳＳｏｕｔＰＳＳｉｎ＝
厦蓉高速
(ωＭ)２ＲＬ
[Ｒ１(Ｒ２＋ＲＬ)＋(ωＭ)２](Ｒ２＋ＲＬ)
(７)
３㊀ＳＳ型补偿拓扑的负载特性分析
假设内阻Ｒ１＝Ｒ２＝０.５Ωꎻ输入电压Ｕ１＝
５０Ｖꎻ电感Ｌ１＝Ｌ２＝１５０ˑ１０－６μＨꎻ谐振频率Ｆ＝８０ˑ１０３Ｈｚꎬ则角频率ωʈ５００ˑ１０３ｒａｄ/ｓꎻ互感Ｍ
＝２０ˑ１０－６Ｈꎻ因为谐振时有ｊωＬ＋
１
2012款帝豪ec718ｊωＣ２
ꎬ可得Ｃ１＝Ｃ２＝
１
ω２
Ｌ１
ʈ２.７ˑ１０－８Ｆꎮ令ＲＬ为自变量ꎬＰＳＳｏｕｔ和η为因变量ꎬＲＬ取值范围为０~３０Ωꎬ运用ｍａｔｌａｂ作图可得
:
图４㊀
输出功率随负载的变化曲线
图５㊀
效率随负载的变化曲线
８
２
第１期高俊岭ꎬ等：电动汽车无线充电系统ＳＳ型补偿拓扑研究
由图４可知ꎬＳＳ型结构电路的输出功率随负载的增大而线性增大ꎬ并且由公式(６)可得系统的输出功率可由改变Ｕ１而改变ꎬ且根据公式(７)ꎬ系统的效率并不受Ｕ１变化的影响ꎮ
由图５可知ꎬ系统的效率在０~３Ω时较低ꎬ但
效率的增长速度很快ꎬ在３~３０Ω这一阶段效率的增速缓慢ꎬ但效率值均高于８０％ꎮ电动汽车充电过程中的电池等效电阻一般在３~２０Ω之间ꎬ因此ＳＳ型结构电路可在电动汽车无线充电过程中保持高效率ꎮ
４㊀ＳＳ型补偿拓扑的互感特性分析
耦合系数的取值范围在０~１之间ꎬ由公式Ｋ＝
Ｍ
Ｌ１Ｌ２
可得ꎬ互感Ｍ的取值为０~１５０ˑ１０－６Ｈꎬ负载ＲＬ分别取１０Ω和１５Ωꎬ其他参数保持不变ꎮｍａｔｌａｂ仿真结果如下
:
图６㊀输出功率随互感的变化曲线
图７㊀效率随互感的变化曲线
电动汽车停车充电时的位置ꎬ汽车充电设备距离地面的位置等都会导致互感的变化ꎬ电动汽车无
线充电系统的互感大致在１０~３０μＨ之间ꎬ在这一阶段由图６可知ꎬ随着互感的增加ꎬ输出功率在不断下降ꎬ但其仍保持较高的数值ꎮ而根据图７ꎬ随着互感的增加ꎬ系统的效率在提高ꎬ且效率都在８０％以上ꎬ由此可知ＳＳ补偿拓扑的电路在电动汽车无线充电系统的互感范围内可保持较高的输出功率和效率ꎮ菲亚特跑车
５㊀ＳＳ型补偿拓扑的频率特性分析
以系统的角频率ω为自变量ꎬω在４００ˑ
１０３ｒａｄ/ｓ－６００ˑ１０３ｒａｄ/ｓ之间ꎬ负载ＲＬ分别取１０Ω
和１５Ωꎬ互感Ｍ＝２０ˑ１０－６Ｈꎬ其他参数同上ꎬ在对系统进行分析时要注意的是频率的改变会导致系统出现非谐振的情况ꎬ因此式(５)㊁式(６)和式(７)都会发生相应的改变ꎬ此时有:
ＰＳＳｉｎ＝Ｕ１Ｉ１＝
Ｕ２１(ＺＳＳ２)ＺＳＳ１ＺＳＳ２＋(ωＭ)２
(８)
ＰＳＳｏｕｔ
＝Ｉ２２
ＲＬ＝(ωＭ)２Ｕ２１
[ＺＳＳ１ＺＳＳ２＋(ωＭ)２]２
ＲＬ
(９)
图８㊀输出功率随角频率的变化曲线
图９㊀
效率随角频率的变化曲线
９
２
佳木斯大学学报(自然科学版)２０２１年
η＝ＰＳＳｏｕｔ
ＰＳＳｉｎ＝
(ωＭ)２ＲＬ
[ＺＳＳ１ＺＳＳ２＋(ωＭ)２]ＺＳＳ２(１０)
依据式(８)㊁式(９)和式(１０)进行ｍａｔｌａｂ仿真ꎬ结果如下图:
由图８和图９可知ꎬ系统的输出功率和效率均在ω＝５００ˑ１０３ｒａｄ/ｓ处达到峰值ꎬ说明谐振频率是该系统的最佳频率ꎮ并且峰值处较为平缓ꎬ说明系统可以承受一定的频率波动ꎮ然而输出功率和效率在系统频率与谐振频率有较大出入时会急剧下降ꎬ这说明了系统运行过程中要避免频率波动过大ꎮ６㊀结㊀语
ＳＳ型补偿拓扑结构简单ꎬ电动汽车充电过程中的电池等效电阻为３~２０Ω之间ꎬ互感大致在１０~３０μＨ之间[８]ꎬ在这些条件的约束下ＳＳ型补偿拓扑的电动汽车磁耦合谐振电路系统仍能保持较高的输出功率和效率ꎻ并且通过频率特性分析可知ꎬＳＳ型补偿拓扑的电动汽车磁耦合谐振系统还能够承受
较大范围的频率波动ꎮ因此ＳＳ型补偿拓扑可作为电动汽车磁耦合谐振电路的最优补偿电路ꎮ参考文献:
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ＶｅｈｉｃｌｅＷｉｒｅｌｅｓｓＣｈａｒｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ＧＡＯＪｕｎｌｉｎｇꎬ㊀ＺＨＡＮＧＱｉａｎｇ
(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨｕａｉｎａ
ｎＡｎｈｕｉ２３２０００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:㊀ｗｉｔｈｔｈｅｐｏｐｕｌａｒｉｔｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓꎬｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｃｏｎｃｅｒｎｅｄ.Ｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｓｏｎａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｈａｓｌａｒｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒａｎｄｍｏｄｅｒａｔｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅꎬｓｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｓｏｎａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇ.Ｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｓｏｎａｎｔｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅｒｅｇａｒｄｅｄａｓａｌｏｏｓｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ.Ｔｈｅｒｅｉｓａｌａｒｇｅｌｅａｋａｇｅｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｒｉｍａｒｙａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｃｏｉｌｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍꎬｓｏｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏａｄｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｙｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｏｗｅｒａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉ￣ｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ.ＴｈｅＳＳｔｙｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙＭＡＴＬＡＢｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆ
ｅｒｅｎｔｌｏａｄꎬｉｎｄｕｃｔａｎｃｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎ￣ｃｙ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇｒｅｓｏｎａｎｃｅｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈＳＳｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏ￣ｐｏｌｏｇｙｃａｎｗｉｔｈｓｔａｎｄａｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓꎬａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｒｅａｌｓｏｈｉｇｈꎬｗｈｉｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:㊀ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｃｏｕｐｌｅｄｒｅｓｏｎａｎｃｅꎻＳＳｔｙｐｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｙꎻｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒꎻｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
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