電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電的S-P補(bǔ)償拓?fù)溲芯?

李 靜 趙 浩 雷 鳴 付永升

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710032)

電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電的S-P補(bǔ)償拓?fù)溲芯?

李 靜 趙 浩 雷 鳴 付永升

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710032)

基于諧振式無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的研究,論文對(duì)無(wú)線(xiàn)充電的諧振拓?fù)溥M(jìn)行了深入的分析。常見(jiàn)的諧振拓?fù)涔灿兴姆N,論文重點(diǎn)對(duì)S-P諧振拓?fù)溥M(jìn)行了理論分析,與S-S諧振拓?fù)溥M(jìn)行了比較,用Maxwell及Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

無(wú)線(xiàn)充電; 諧振拓?fù)? 仿真驗(yàn)證

1 引言

近來(lái),環(huán)保問(wèn)題已經(jīng)成了各國(guó)政府不可忽略的問(wèn)題,人們對(duì)這糟糕透頂?shù)撵F霾天氣已經(jīng)忍無(wú)可忍。剛剛推出的十三五規(guī)劃中對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的重視明顯提升,可知清潔能源是以后發(fā)展的重點(diǎn)。電能作為清潔能源受到了國(guó)家的大力支持,電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線(xiàn)充電避免了充電線(xiàn)、插頭的磨損,又避免了人們直接接觸電流,從而減少了觸電的危險(xiǎn)[1～5]。而且無(wú)線(xiàn)充電的過(guò)程極其方便,只要車(chē)底的電能接收線(xiàn)圈在發(fā)射線(xiàn)圈的傳輸范圍內(nèi)就可以充電。就像現(xiàn)在的智能手機(jī)通過(guò)WIFI上網(wǎng)一樣方便,這大大方便了人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航需求[6]。無(wú)線(xiàn)充電常用有四種諧振拓?fù)?分別是串聯(lián)-串聯(lián)(S-S),串聯(lián)-并聯(lián)(S-P),并聯(lián)-串聯(lián)(P-S),并聯(lián)-并聯(lián)(P-P),文中主要對(duì)S-P補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行了Maxwell三維建模及Matlab仿真,研究發(fā)射和接受兩端的補(bǔ)償電容對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響,與S-S補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行了比較。

2 電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)構(gòu)成

本文的電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)如圖1所示,主要包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括整流電路、高頻全橋逆變電路、諧振線(xiàn)圈及諧振補(bǔ)償電路及DSP控制電路;接收端包括另一諧振線(xiàn)圈與諧振補(bǔ)償電路,以及整流濾波電路和負(fù)載電路。在充電系統(tǒng)中用直流電源DC=220V,我們所用的高頻逆變電路是基于全橋逆變電路,其中高頻逆變電路為線(xiàn)圈提供高頻交變電壓,驅(qū)動(dòng)方波PWM是由DSP28335開(kāi)發(fā)板的外圍電路產(chǎn)生;發(fā)射電路采用電容串聯(lián)補(bǔ)償電路,接收電路采用電容并聯(lián)補(bǔ)償電路;整流電路采用全橋整流電路,發(fā)射和接收端用無(wú)線(xiàn)傳輸信息,負(fù)載電路包含功率檢測(cè)。負(fù)載預(yù)期功率為100W。

圖1 電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)構(gòu)成

3 電磁諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸模型

為了提高傳輸效率,需要對(duì)發(fā)射端和接收端的回路采取補(bǔ)償措施,在這里利用LC電路的諧振原理。無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的諧振拓?fù)渲饕兴姆N,分別是串串(series-series)、串并(series-parallel)、并串(parallel-series)、并并(parallel-parallel),如圖2所示。

圖2 常用補(bǔ)償方式

3.1 S-P拓?fù)浞治?/p>

無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈的耦合性能受外界環(huán)境的影響較大,論文抓住重點(diǎn)因素,有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn),也可以很大程度上提升電能的傳輸效率,在這方面主要進(jìn)行的工作是:

補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究,接收端的并聯(lián)諧振,適合給電池進(jìn)行充電,發(fā)射端串聯(lián)諧振,可以降低系統(tǒng)對(duì)電源電壓額定值的要求[7],所以選擇串并式模型(series-parallel)并對(duì)其進(jìn)行分析。

圖3 S-P補(bǔ)償拓?fù)?/p>

圖3中,V1為輸入電源,R1,R2為等效電阻,設(shè)定為一樣大;L1,L2為等效電感,M為線(xiàn)圈之間的互感;R3為負(fù)載電阻。Rs為電源內(nèi)阻可以忽略。

根據(jù)電路圖可以列出基爾霍夫電壓方程:

(1)

其中:

(2)

(3)

由上式求出:

(4)

(5)

電源的輸出功率和負(fù)載的接受功率分別為Pin,Pout。

(6)

(7)

(8)

初級(jí)回路的阻抗:

(9)

次級(jí)回路的阻抗:

(10)

Zref是次級(jí)回路在初級(jí)回路的反映阻抗,其中

(11)

在磁場(chǎng)中讓初級(jí)回路和次級(jí)回路發(fā)生共振,R1,R2為電感自阻非常小可以忽略。次級(jí)回路發(fā)生諧振時(shí),則有:

(12)

再把反應(yīng)阻抗帶入初級(jí)回路中,則Zi=Z1+Zref。初級(jí)回路發(fā)生諧振時(shí),其阻抗的虛部為零Zref經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)得:

(13)

(14)

3.2 S-S補(bǔ)償拓?fù)浞治?/p>

圖4 S-S補(bǔ)償拓?fù)?/p>

同理S-S補(bǔ)償拓?fù)?/p>

(15)

(16)

(17)

(18)

4 Maxwell軟件仿真

ANSYS Maxwell是用于電機(jī)、作動(dòng)器、電感、變壓器、磁性傳感器等各種機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的電磁場(chǎng)分析工具。求解對(duì)象的電磁場(chǎng)分布可以直觀地顯示出來(lái),具有自動(dòng)計(jì)算電磁力、力矩、電感、電容等設(shè)計(jì)參數(shù)的功能。仿真結(jié)果可以方便地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。ANSYS Maxwell具有直觀易用的GUI、自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分求解器,確保穩(wěn)定、高精度的求解,初學(xué)者也能與軟件使用專(zhuān)家一樣用簡(jiǎn)單的操作得到精確的分析結(jié)果。Maxwell 3D模型仿真步驟包括:選擇求解器類(lèi)型,建立3D模型,設(shè)置材料屬性,設(shè)置邊界條件,設(shè)置激勵(lì),網(wǎng)格劃分,有限元計(jì)算和結(jié)果處理等。在Maxwell中仿真線(xiàn)圈,線(xiàn)圈選為銅(copper),線(xiàn)圈的半徑為1.5mm,兩線(xiàn)圈之間的空隙為2mm,線(xiàn)圈有二十匝,在靜磁場(chǎng)中對(duì)線(xiàn)圈進(jìn)行仿真。線(xiàn)圈的形狀為平面螺旋結(jié)構(gòu),在仿真前我們對(duì)其進(jìn)行微處理使兩者各構(gòu)成回路,在進(jìn)行Y-Z面刨分并通入10A的電流,使其在真空環(huán)境下求解運(yùn)行,最后處理得到如圖5、6所示。

圖5 平面螺旋線(xiàn)圈及其仿真磁感線(xiàn)走向圖

圖6 線(xiàn)圈錯(cuò)位距離、縱向距離及耦合系數(shù)的關(guān)系

從圖5中可以看出磁場(chǎng)線(xiàn)符合右手螺旋定理,從軟件的電感矩陣中得到線(xiàn)圈的電感值,其自感分別為L(zhǎng)1=852.68μH,L2=587μH,互感為M=104μH。假設(shè)諧振頻率為50kHz,通過(guò)串并式補(bǔ)償中的式(12)、(14),可以得到其補(bǔ)償電容的值。其中C1=1.3032e-8,C2=1.1871e-8。這個(gè)值和Matlab仿真的結(jié)果基本相似。圖6是兩線(xiàn)圈之間橫向錯(cuò)位,縱向距離及耦合系數(shù)之間的關(guān)系,明顯可以看出,隨著線(xiàn)圈之間的橫向距離及縱向距離的增大,線(xiàn)圈的耦合系數(shù)在減小。

5 Matlab仿真

在Matlab中對(duì)式(8)進(jìn)行仿真,諧振頻率是50KHz,負(fù)載為100Ω。讓C1和C2分別為變量,得出關(guān)于傳輸效率的三維圖。

圖7中可以看出在效率(elta)與接收端補(bǔ)償電容(C2)的二維平面中有許多曲線(xiàn),每一條曲線(xiàn)都代表一個(gè)發(fā)射端補(bǔ)償電容(C1)的值。當(dāng)C1=1.3e-08F,C2=1.2e-08F時(shí),負(fù)載為100Ω時(shí)傳輸效率可達(dá)98.52%。然而,C1=1.4e-08F,C2和負(fù)載不變時(shí),傳輸效率為46.19%。就是說(shuō)C1值的改變對(duì)傳輸效率的影響非常大。同理,C1不變,C2變化時(shí),系統(tǒng)傳輸效率變化很小。

圖7 S-P補(bǔ)償拓?fù)鋫鬏斝嗜S圖

圖8 S-S補(bǔ)償拓?fù)鋫鬏斝嗜S圖

圖8是S-S補(bǔ)償拓?fù)涞膫鬏斝嗜S圖,C1和C2都對(duì)傳輸效率有影響。

在其他條件相同,只有補(bǔ)償方式不同的情況下,可以看到S-P補(bǔ)償與S-S補(bǔ)償?shù)牟煌?/p>

S-S補(bǔ)償:C1值不變,C2值發(fā)生微小變化時(shí),傳輸效率會(huì)發(fā)生較大變化;同樣C2值不變,C1值發(fā)生變化時(shí),也會(huì)對(duì)傳輸效率產(chǎn)生較大影響。

S-P補(bǔ)償:C1值不變,C2值發(fā)生變化時(shí),對(duì)傳輸效率影響不大;C2值不變,C1值發(fā)生變化時(shí),會(huì)對(duì)傳輸效率產(chǎn)生很大影響。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的理論公式,可以得到在S-S、S-P償方式下,補(bǔ)償電容的理論計(jì)算值。考慮到實(shí)際電路參數(shù)值會(huì)存在一定的誤差,所以實(shí)際電容選取會(huì)以理論計(jì)算值為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)試選擇。可以看到Maxwell的仿真結(jié)果,發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈的電感值已經(jīng)確定,通過(guò)補(bǔ)償電容計(jì)算公式計(jì)算出其補(bǔ)償電容值。我們?cè)贛atlab中仿真串并補(bǔ)償拓?fù)涞膫鬏斝?把發(fā)射端和接收端的補(bǔ)償電容作為變量,得出它們和傳輸效率的三維圖,并把最佳補(bǔ)償效率點(diǎn)的補(bǔ)償電容標(biāo)記出來(lái),會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的值和通過(guò)補(bǔ)償電容計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)的值極其相似。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)Maxwell和Matlab軟件的仿真,驗(yàn)證了電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的串并聯(lián)拓?fù)涞膫鬏斝省Ｔ诶硐肭闆r下(忽略電容電感的內(nèi)阻)系統(tǒng)的傳輸效率大大提高。電磁諧振式無(wú)線(xiàn)充電通常傳輸功率較小,目前在電動(dòng)汽車(chē)方面的應(yīng)用較少,但可以預(yù)見(jiàn)的是,電磁諧振式由于其能量傳輸效率高將是無(wú)線(xiàn)供電領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

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Resonant Wireless Charging Based on S-P Compensation Topology

LI Jing ZHAO Hao LEI Ming FU Yongsheng

(College of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021)

This article is about the research of resonance wireless charging technology, for resonant topology of wireless charging have an in-depth analysis; common resonant topology is consists of four, and it relates to research of S-S and S-P resonant topologyin this article; currently people study S-S resonant topologymore, so not too much text analysisin article,it is analyzed theoretically that focusing on the S-P resonant topology, and with S-S resonant topology compared; its simulation verified by Maxwell and Matlab software.

wireless charging, resonant topology, simulation verification Class Number TM724

2016年10月3日,

2016年11月21日

西安工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金(編號(hào):XAGDXJJ15013)資助。

李靜,女,博士,教授,研究方向:測(cè)控技術(shù)與智能控制。趙浩,男,碩士研究生,研究方向:通信工程,無(wú)線(xiàn)輸電。雷鳴,男,碩士研究生,研究方向:智能控制與應(yīng)用。付永升,男,碩士研究生,研究方向:電力電子系統(tǒng)。

TM724

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.016