基于半橋式發送器的車載無線充電研究

浦金歡

(上海汽車集團股份有限公司， 上海 200041)

0 引言

無線電力傳輸(wireless power transfer，WPT)技術逐漸在電動汽車充電中獲得應用[1]。無線電力傳輸技術主要分為五種類別：聲波無線充電、微波式無線充電、激光式無線充電、磁感應式無線充電、磁諧振式無線充電和電場式無線充電[1, 2]?？梢钥吹剑瑹o線電力傳輸的介質分別是電磁場(微波、激光)、磁場和電場。由于電動汽車無線充電對電力傳輸距離要求不高，因此基于磁場和電場的無線充電方式比較適合電動汽車應用。這其中，磁諧振式無線充電方式研究較多。

磁諧振式無線電力傳輸的相關理論由文獻[3]首次提出并驗證，磁諧振式無線充電技術可以在諧振頻率處可以獲得最大的效率和傳輸功率。因此磁諧振式無線充電技術需要使逆變器的開關頻率工作于諧振頻率附近。另外由于在無線充電的應用條件下，無線充電器的收發線圈等效于一個松耦合變壓器，其漏電感是遠大于磁化電感的，因此需要引入補償網絡來消除漏電感的影響。當前無線充電器線圈補償電路主要有單電容補償網絡(包含串聯-串聯型、串聯-并聯型、并聯-串聯型、并聯-并聯型)、串聯-并聯-串聯補償網絡、LCL補償網絡、LCLC補償網絡[1, 2, 4]。這些補償網絡中，但電容補償最常用且結構簡單，串聯-并聯-串聯補償網絡可以維持恒功率輸出，LCL和LCLC補償網絡可以有效提高無線充電器的效率。

本文對使用半橋式逆變器的無線充電器進行了研究，該無線充電器使用串聯型補償網絡。通過數學分析，仿真分析和實驗驗證，結果表明該種無線充電器能夠實現電力的無線傳輸，具有一定的可行性。

1 無線充電拓撲結構

使用半橋式逆變器作為發射端，則可以得到如圖1所示的無線充電器拓撲結構。該結構中發射端使用半橋式逆變器，輸出端使用全橋整流器。收發線圈使用串聯-串聯型補償網絡(S-S型)。相比于使用全橋逆變器的無線充電器，該結構使用開關管較少，只有兩個開關管(S1和S2)。逆變得到的交流電壓幅值降低了，只有全橋逆變器的一半。但該結構控制簡單，開關管的驅動和輔助電路也少，適合于中低功率的無線充電場合應用。

圖1 無線充電器結構

Fig.1 Structure of wireless charger

將圖1中的發射和接受線圈等效于松耦合的變壓器，則可以將其簡化為補償電容、漏電感、磁環電感和理想變壓器的組合。由于無線充電中一般會使收發線圈的參數相一致，因此理想變壓器的變比就是1:1。此時可以得到T型等效圖，如圖2所示。圖2中Lm是磁化電感且Lm=M(耦合電感)，Lp是發射線圈漏電感且Lp=L1-M，Ls是接收線圈漏電感Ls=L2-M。L1和L2分別是發射和接收線圈的電感值，Cp和Cs分別是發射和接收線圈補償電容，u1和u2分別是輸入和輸出電壓，i1和i2分別是輸入和輸出電流，im為磁化電流，im=i1-i2。對于一般的緊耦合變壓器，漏電感很小(Lp和Ls)，但在無線充電器中，由于耦合系數k很小，因此磁化電感會比漏感小的多。因此使用補償電容可以在諧振頻率下完全補償漏電感，使收發線圈呈現純阻性。

圖2 無線充電器等效電路

2 諧振式無線充電原理

根據圖2中的T型等效電路，可以列寫無線充電器的數學模型。根據基爾霍夫定律，可得：

(1)

將該方程消去i1，可以得到

(2)

假設負載為純阻性，則顯然i2=u2/R。此時對(2)兩邊同時取拉普拉斯變換，可以得到無線充電器輸入電壓和輸出電壓的傳遞函數

(3)

為了對無線充電器的性能進行分析，假設一種無線充電場景，此時參數如下：Lm=2 μH，Lp=100 μH，Ls=100 μH，Cp=Cs= 0.15 μF，R=2 Ω。由這些參數計算可得，補償全部電感的頻率是40.68 kHz(以下稱為第一諧振頻率)，補償漏電感的頻率是41.09 kHz (以下稱為第二諧振頻率)。繪制該系統增益隨頻率變化的曲線，如圖3所示?？梢钥吹剑到y在第一諧振頻率處獲得了最大增益，達到3.19。第二諧振頻率處的增益約為1。遠離第一諧振頻率時，增益都隨之快速下降。

圖3 峰值增益隨頻率變化曲線

繪制第一諧振頻率處最大增益隨負載變化的曲線，如圖4所示?？梢钥吹诫S著負載的增大，峰值增益也隨之不斷變大，可以看到第一諧振頻率時負載對增益也有很大影響。

圖4 峰值增益隨負載變化曲線

當系統工作于第二諧振頻率時，

(4)

將其代入傳遞函數(3)中，可以計算得到傳遞函數為常數1，與負載的大小無關。雖然第一諧振頻率可以獲得最大的增益，但由于其增益受負載影響較大，且其發射端電流過大，因此一般無線充電器工作于第二諧振頻率。

3 仿真研究

3.1 仿真模型

實際中，無論使用全橋逆變器或是圖1中的半橋逆變器所輸出的電壓均是方波。因此為了進一步分析無線充電器的性能，使用PSIM軟件建立仿真模型，對方波下充電器的特性進行仿真分析，仿真模型如圖5所示，仿真參數與第二節分析中的參數一致。

圖5 仿真模型

3.2 仿真測試

下面分別從不同頻率和不同負載的方面對半橋式充電器進行研究。圖6顯示了負載一定時，不同頻率下無線充電器的輸入輸出交流電壓的波形?？梢钥吹?，與第二節中的分析一致，輸出電壓的增益在第一諧振頻率處取得了最大值。同時可以看到，在第一諧振頻率處和高于該頻率時，半橋式逆變器的兩個開關管均可以獲得軟開關狀態。圖7顯示了第二諧振頻率時，不同負載值時無線充電器收發線圈中的電壓和電流波形?？梢钥吹酱藭r發射端和接收端電壓同相位。接收端電壓不受負載的影響。在實際應用于，整流器的一側通常會并聯輸出電容，以獲得比較穩定的直流電壓，因此在實際中負載會是并聯RC型的負載。因此圖8顯示了在第二諧振頻率時，純阻性的負載和并聯RC型的負載的電壓和電流波形?？梢钥吹讲⒙揜C負載使輸入電壓波形由正弦波變為了方波。

圖6 不同頻率下的仿真結果

圖7 不同負載下的仿真結果

圖8 不同負載類型下的仿真結果

4 實驗研究

4.1 實驗樣機

本節建立了一個小型實驗樣機來驗證半橋式無線充電器的可行性。實驗樣機線圈的參數為L1=L2=8 μH,Lm=2 μH,Cp=Cs=1.2 μF。收發線圈距離L=3.2 cm，線圈外徑R=6.5 cm，內徑r=3.3 cm，逆變側直流電壓為30 V，樣機配置如圖9所示。計算可得第二諧振頻率約為59.3 kHz。由于在該頻率時，發射端電流過大，因此該實驗樣機運行于高于該頻率的開關頻率。

圖9 半橋式無線充電機

4.2 實驗測試

圖10是實驗樣機在約60.4 kHz頻率下收發線圈的電壓和電流測量結果。可以看到該樣機在發射端可以生成峰峰值為30 V的方波電壓和峰峰值超過30A發射電流。接收端獲得了峰峰值為7 V左右的方波電壓和峰峰值為4 A左右的接收電流。由于發射電流過大，實驗樣機無法運行于第一和第二諧振頻率下，因此接收側的電壓和電流均未達到最大值。圖11是使用無線充電機點亮LED的實驗，可以看到無線充電機可以成功點亮LED。

圖10 實驗測量波形

圖11 LED點亮實驗

5 結論

本文對使用半橋式逆變器和串聯-串聯單電容補償線圈的無線充電器進行了詳細的分析和研究。建立了無線充電器發射電壓和輸出電壓的傳遞函數，使用PSIM軟件分別對不同頻率、不同負載值和不同負載類型的情況進行了仿真測試和分析。最后建立了一個小型樣機來驗證該無線充電器的可行性。仿真和實驗結果表明該無線充電器具備一定的可行性。