基于松耦合變壓器補償技術的電動汽車充電技術系統建模與仿真

吳金華

摘 要：本文立足于無線充電技術，深入剖析松耦合變壓系統，針對其目前無線充電系統存在的不足之處與優化，改善充電系統傳輸效率，推動無線充電方式發展。

關鍵詞：耦合變壓器 電動汽車 充電技術

Modeling and Simulation of Electric Vehicle Charging Technology System Based on Loosely Coupled Transformer Compensation Technology

Wu Jinhua

Abstract：Based on the wireless charging technology， this article deeply analyzes the loosely coupled transformer system， aims at the shortcomings and optimizations of the current wireless charging system， improves the transmission efficiency of the charging system， and promotes the development of wireless charging methods.

Key words：coupling transformer， electric vehicle， charging technology

1 引言

相比傳統充電技術，無線充電技術的起步時間較晚，且整體的安全性以及便捷性更為優秀。因此，在未來市場中具有巨大的發展潛力。本文立足于松耦合變壓器，深入研究偏移位置以及器氣隙間距，剖析二者對變壓器傳輸效率的具體影響情況，通過運用科學的繞制手段，使得變壓器的傳輸效率得到進一步改善。以此為前提下，建立等效電路模型，并在其中加入補償技術，完成仿真模型的構建環節，針對仿真模型完成實驗驗證，保障最終研究結果的真實性和可靠性，推動我國電動汽車研究理論的發展。

2 松耦合變壓器磁建模分析與優化

2.1 松耦合變壓器概述

在無線輸電過程中，松耦合變壓器起到重要作用，其在工作過程中，與其它類型變壓器并無本質不同。然而，該變壓器的磁路距離較長，因此可以完成非接觸充電過程。由于保持與設備的非接觸充電，因此不會對設備造成磨損，這也是其顯著優點之一。

2.2 松耦合變壓器磁芯等效模型

在完成研究工作之前，首先需要建立對應模型，本文等效電路模型如圖1內容。在研究過程中，通過電壓源完成供電工作，當電壓源與回路產生接觸后，實現初級電流，并將電流傳輸至變壓器中，經過變壓器的處理后，產生次級電流。其具體的計算方式如式2.1：

由公式2.2，可以得出初級電流以及次級電流的計算方式，其具體內容如下所示：

其各公式對應具體初級以及次級電電流回路，而通過上文計算內容，可以得到對應的反饋電阻。

因此，對電阻進行計算。立足于前文的計算方式，本次的初級電阻以及次級電阻分別為：

通過上述內容，不難得知，對于變壓器的傳輸效率而言，即受到多個因素的共同影響，各因素之間互相聯系，并最終影響能量的傳輸效率。

3 電動汽車無線充電的直流變壓器補償分析

因傳統閉環控制方案在傳輸過程中反饋信號會出現缺失，并最終影響反饋結果。因此，本文針對中級控制模塊，將其設定為隔離式開環。

3.1 補償方法

為保障各模塊的效率得到深入優化，此次研究過程中針對松耦合變壓器，將其中添加高耐壓值電容，促使變壓器的無功功率和視在功率減少，使得變壓器整體的傳輸能力得到改善，完成對變壓器的優化工作。

為確保完成上述內容，運用串串補償方式，加強對變壓器的補償，促使變壓器的傳輸效率得到保障，幫助優化耦合型變壓器，推動我國電動汽車產業的發展。其具體電路結構如圖3所示。

為深入了解模塊自身的輸出特性，構建對應等效電路模型。為簡化研究工作，此次的匝比設定為等比且n=1，具體內容如下所示。

在功率以及耦合系數之間存在聯系性。通過構建對應的模型，完成對二者關系的分析工作，不難得知二者之間存在反向關系。輸出功率設定為一定數值后，二者之間的數值將會互相影響。

3.2 直流變壓器補償的定量分析

為簡化本次定量分析難度，作者在分析過程中，并未針對初級以及次級損耗進行分析，得出的初級有償電容為：

對以上兩式求解及與的關系可得：

根據上文中的視在功率計算方法，結合輸出有功功率的相關參數，其具體比值情況如下：

本中結合Matlab完成此次建模工作，并與上述內容構建對應模型得出二者之間的具體比例，除此之外，得出對應的負載電阻以及角頻率，具體內容如圖6所示。

從圖6可知：針對原邊加入補償電容，能夠有效改善模塊的功率因素。因此可以通過此方法改善變壓器的傳輸效率。

4 DCT 模塊仿真模型及仿真結果分析

4.1 仿真模型

此次模型構建運用 Simulink 工具，本次的具體模型如圖7，當完成建模工作后，針對個仿真參數進行設計，并最終根據模型完成分析環節。

由于實驗需求，本次將磁芯制定為十厘米，完成計算過程并得出耦合系數，最終得出結果為0.223。通過與相關數值進行對比，得知此次設計符合實際充電距離需求。

4.2 仿真結果及其分析

第一，制定未加補償參數，通過建模分析后得出對應波形，而該過程的具體參數內容如表1所示。

結合上圖繼續完成建模工作，并得到對應的模塊仿真圖。通過對下圖進行分析，不能得知當個模塊不添加補償時，變壓器的開關側會出現電壓峰值問題，使得器件在充電過程中引發應力，而將其推導至現實生活中，這一情況會導致充電過程中產生噪音問題，影響人員的充電體驗。

第二，在建模過程中加入補償參數，并完成建模工作，得到對應的仿真波形。經過上述步驟得出的具體參數情況如表2所示。

通過原副邊加補償圖進行分析可知，當在模塊中添加串聯補償，可以有效減少模塊的電流尖峰，并最終致使電壓浪涌問題發生概率減少。這也證實添加串聯補償能夠有效緩解器件的開關損耗，保護變壓器的同時改善充電體驗。

根據此次實驗結果，在現實生活中選擇合適的空氣間隙，能夠使變壓器的傳輸效率得到改善。

5 總結

本文針對電動汽車松耦合變壓器存在的原副邊耦合系數低的問題，建立變壓器磁路模型，通過補償方案提高變壓器傳輸效率。通過仿真與實驗結果表明：所設計的串串補償的松耦合 LLC-DCT 和全橋 DCT 相比，可以提高能量傳輸效率，優化后輸出效率體提高了1.86%。

參考文獻：

[1]翟鵬偉. 電動汽車無線充電系統設計[D]. 北京， 北方工業大學， 2015.

[2]李松林. 基于電磁感應耦合的無線電能傳輸研究[D]? 成都 電子科技大學， 2012.

[3]陳珂睿，? 王澤忠， 劉勝南. 非接觸式電能傳輸系統功率及效率影響因素[J].? 電網技術， 2014， 38（3）：807-811.

[4]楊民生 王耀南 新型無接觸感應耦合電能傳輸技術研究綜述。湖南文理學院學報.

[5]Buja G，BertoluzzoM，Dashora HK.Lumped track layout design for dynamic? wireless charging of electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016，? 63（10）： 6631-6640.

[6]朱華 松耦合無線能量傳輸系統相關技術研究[D]? 南京 南京郵電大學， 2013.