中頻磁耦合諧振式無線充電系統特性研究

田 迪 ，田成林，李建良

（長安大學，陜西 西安 7 10064）

中頻磁耦合諧振式無線充電系統特性研究

田 迪 ，田成林，李建良

（長安大學，陜西 西安 7 10064）

無線充電是一個新型的充電方式，是未來電能作為動力源的一個必然發展方向。針對諧振式無線充電方式，采用建模分析的方法，利用PSpice進行仿真，通過改變諧振頻率對無線充電性能及效率進行分析。結果顯示中頻磁耦合諧振有良好的充電效率和經濟性。

無線充電；諧振頻率；PSpice

0 引言

電動汽車是未來替代現有燃油汽車的一個必然方向，近些年來在電池以及充電方式上有各種各樣的研究以及改進，其中一個制約電動汽車發展的瓶頸就是汽車充電問題。磁耦合諧振式[1]是利用電流通過線圈產生同頻率的磁場共振實現無線充電。磁耦合諧振在無線充電方面和其余方式相比有它獨特的優點，它一般可以允許發射端和接收端相隔數十公分以上，這可以完美應用于汽車底盤和地面的無線充電形式上。目前來說，低頻的無線充電距離較短，而高頻無線充電所需功放輸出率較小、成本高，目前尚不具備實用性，因此中頻將是近年來研究的一個重要頻率范圍。本文針對中頻磁耦合諧振的一些特性做一些研究，說明中頻磁耦合諧振的優點。

1 磁耦合諧振式無線充電的原理分析

1.1 基本耦合原理分析

磁耦合諧振式無線充電主要分為一次側和二次側兩個部分，系統一次側采用220 V市電進行供電，經過整流濾波轉變為直流電，然后進行高頻逆變將直流電轉變為諧振頻率的交流電，變化的高頻電流在發射線圈周圍產生交變磁場，二次側線圈在磁場中感應出相同頻率的電壓，經過整流濾波之后提供給負載端使用。

因為傳輸效率的高低主要取決于兩個線圈所組成的能量傳輸單元。因兩側線圈所組成的能量傳輸單元就相當于一個耦合介質為大氣的變壓器，所以耦合程度會比較小。查找資料發現一般耦合系數最高不超過0.3，所以能量的傳輸比較困難。為了提高傳輸效率和傳輸功率，在兩側線圈上加入諧振補償電容，并且調整使兩側的線圈回路擁有相同的諧振頻率，當輸入電壓的頻率與LC線圈的固有頻率相同時，兩個回路便會產生共振現象，此時整個系統可以得到高效率的能量傳輸。互感耦合模型原理圖如圖1所示。

圖1 互感耦合模型原理圖

1.2 耦合模型分析

諧振模型一般分為RLC串聯諧振和RLC并聯諧振，其中R為諧振電感和電容的內阻，其實一般高頻諧振中電容的R很小，為了方便分析可以將其忽略，但是諧振電感上的電阻較大，需要考慮其對系統的影響。一般諧振補償結構[1]有如下四種：串聯—串聯補償結構（SS），串聯—并聯補償結構（SP），并聯—串聯補償結構（PS），并聯—并聯補償結構（PP）.

當串聯諧振結構發生諧振時，容抗壓降和感抗壓降的模值相等、相位相反，這時它們可相互抵消，LC端口對外相當于短路，表現為電壓源特性，即為電壓源諧振方式。在串聯諧振中，電感和補償電容上的電壓一般情況下都會很髙，所以器件的絕緣性能要求很高。當由恒壓源供電時，系統較多采用串聯補償結構。與之相對的并聯補償結構發生諧振的時候，流過電容和流過電感的電流模值相等、相位相反，同樣相互抵消，LC端口對外相當于開路，表現為電流源特性，即為電流源諧振方式。并聯諧振中，電感和補償電容中的電流一般較大，所以器件要求有較強的導通大電流能力。當由恒定電流源供電時，系統多采用并聯補償結構。

基于上面所分析的串聯諧振方式和并聯諧振方式的特點，系統供電電源一般采用220 V市電，所以串聯諧振方式較為適合。在SS結構中，當負載電阻較大時，輸出功率與系統效率隨著負載電阻的增大而減小，所以SS補償拓撲結構不適合阻值較大的電路。同理可得SP補償拓撲結構不適合負載阻值較小的情況。本系統目標定于電動汽車無線充電，對現有動力電池進行資料查詢，大部分阻抗很小，所以本系統定于用SS補償拓撲結構進行分析。四種補償拓撲結構圖分別如圖 2 中（a）（b）（c）（d）所示。

圖2 四種補償拓撲結構圖

2 耦合電路與仿真結果

在SS補償拓撲結構中，一般由交流源整流變為直流電，之后進行斬波，獲得所需電壓的直流電。獲得需要的直流電之后，在一次側對其進行高頻逆變，通過耦合線圈將能量傳遞給二次側，二次側在對接收到的交流電進行整流，然后對負載電池進行充電。

本系統主要研究中頻耦合下的一些特性，因此為了簡化系統，將整流過程省略，用一個可調的直流電壓源來供電，直接輸出需要的直流電壓。目標負載定為四節松下2 900 Ah的電池兩并兩串做成，負載電阻19 Ω，充電電壓12.6 V.其中將耦合系數定為0.2，根據資料顯示，耦合系數一般不高于0.3，本文定于0.2是合理可行的。在pspice[2]中建立耦合模型，耦合模型如圖3所示，將原副邊耦合系數直接設定為0.2，它可以方便的設定各種所需參數，對需要研究的參數進行變化，觀察電路運行結果。

本系統仿真實驗各種參數設置均達到與相應諧振頻率相匹配的較優值對諧振頻率進行分析。對諧振頻率為 1 kHz、3 kHz、6 kHz、8 kHz、10 kHz進行初步仿真，當設置諧振頻率分別為上述值時，可以得到相應的系統充電特性圖，得出最佳效率為1 kHz時，對上面的仿真結果進行比較可以發現1 kHz左右的中頻磁耦合諧振式充電響應速度快，波動小，具有獨特的應用優勢，不過上述結果充電電壓還是比較低，達不到實用要求。接下來繼續對其進行優化，對1 kHz 周邊的 0.8 kHz、0.9 kHz、1.1 kHz、1.2 kHz 進行仿真，對比仿真結果得到在0.9 kHz時結果最優，充電電壓可以達到12.5 V，充電電流可以達到0.8 A，充電效率可以達到75%以上，上述仿真結果已經達到了實際應用的程度，展示了中頻磁耦合諧振在應用方面的優勢。其中10 kHz，1 kHz，0.9 kHz的仿真圖如圖4、圖5、圖6所示，可以發現當頻率高達10 kHz時響應慢，效率低；1 kHz相比之有所優化，響應變快，效率提升；0.9 kHz能達到論題要求。

圖3 耦合模型圖

圖4 10kHz仿真結果圖

圖5 1kHz仿真結果圖

圖6 0.9kHz仿真結果圖

3 結束語

無線充電中諧振頻率的選擇直接影響系統的軟硬件設計與選擇。本文針對1 kHz左右的中頻諧振進行了分析，在此情況下電池達到了一個良好的充電效果，本文結果顯示，中頻擁有良好的充電特性，充電響應快，本充電平穩無大沖擊，對電池有良好的保護性能，系統可以在10 ms的時候達到百分之八十的充電功率，在20 ms的時候達到比較平穩的額定充電功率。在目前高頻磁耦合成本高昂，不易實現的階段，有良好的應用性。

[1]李云龍.電動汽車無線供電系統磁耦合機構研究[D].重慶：重慶大學，2014.

[2]郭平靜，吳巍峰.電動汽車無線充電系統仿真研究[J].機電一體化，2015，21(10)：12-15.

The Characteristics Of The Mid-frequency Wireless Charging System With Magnetic Resonance Are Studied

TIAN Di，TIAN Cheng-lin，LI Jian-liang
（Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

Wireless charging is a new type of charging method，which is a necessary development direction of future power source.Aim at the resonant wireless charging ways，this paper adopts the method of modeling analysis and simulation using PSpice software，by changing the resonant frequency wireless charging on the performance and efficiency are analyzed.The results show that there is good charging efficiency and economy.

wireless charging；resonance frequency；PSpice

TM910.6

A

1672-545X（2017）08-0145-03

2017-05-16

田 迪（1993-），男，陜西西安人，碩士在讀，主要研究無線充電方向；田成林（1993-），男，河北邢臺人，碩士在讀，主要研究無線充電方向；李建良（1993-），男，山東日照人，碩士在讀，主要研究無線充電方向。