電動汽車雙邊LCC 無線充電系統傳導電磁干擾

呂夢圓 翟麗 胡桂興

(北京理工大學 機械與車輛學院, 北京 100081)

無線充電是未來電動汽車充電技術的發展趨勢[1],利用初級線圈將高頻交流電以高頻交變電磁場的形式向空間傳輸,并以電磁場耦合的方式在接收端產生感應電動勢,進而為動力電池充電[2]。 目前,電磁場安全問題和電磁兼容問題是無線充電系統需要重點關注的2 個方面[3]。 標準SAE J2954[4]和IEC TS 61980-2[5]等國內外電動汽車無線充電技術標準和法規都定義了泄漏電磁場和電磁騷擾的限值[4-5]。 國內外學者對電動汽車無線充電系統的傳輸功率、耦合器效率和電磁場分布研究較多[6-9]。 無線充電系統初級側逆變器工作時,功率開關產生瞬變電流和電壓,通過系統寄生參數,形成電磁騷擾傳導發射和輻射發射。Kim 等[10]只對無線充電系統的電流低次諧波進行了理論和實驗研究。 目前,干擾預測與評估是無線充電系統傳導電磁干擾的研究重點[11-12]。其中,建立有效、準確的系統高頻電路模型是傳導電磁干擾預測的難點。 在前期研究中,很多學者采用簡化模型、理想估計模型、“黑盒子” 端口網絡方法,建立傳導電磁干擾預測模型[13-14]。 Qi等[15]對串聯式補償結構的無線充電系統進行了建模仿真,預測共模電磁干擾,只考慮了逆變器功率開關寄生參數的影響。 然而,沒有考慮耦合線圈、線纜和補償電路元件的寄生參數對高頻電磁干擾的影響,致使傳導電磁干擾仿真結果與測量結果有偏差。 本文依據標準SAE J2954 構建3.7 kW 的無線充電系統,對系統中各模塊進行選型設計。 采用測量和理論計算結合的方法,對耦合線圈、線纜和補償電路元件進行了寄生參數提取,并考慮了功率開關寄生參數的影響,建立了無線充電系統傳導電磁干擾高頻電路模型。 通過建模仿真和試驗,研究無線充電系統電源線傳導電磁干擾。

1 系統結構與建模

依據SAE J2954[4]標準,構建最大輸出功率為3.7 kW 的無線充電系統,如圖1 所示,主要由初級功率模塊、無線耦合器、次級功率模塊組成,主要設計指標如表1 所示。 圓形耦合線圈在各個方向上具有相同的抗偏移性能、結構簡單可靠,目前廣泛應用于靜態無線充電系統。 因此,無線耦合器選取圓形耦合線圈結構。

表1 無線充電系統的設計指標Table 1 Design specifications of wireless charger

圖1 典型無線充電系統原理Fig.1 Schematic diagram of typical wireless charging system

1.1 系統電路模型

根據圖1 和表1,利用仿真軟件ANSYS Simplorer 對無線充電系統的主功率電路進行建模,如圖2 所示。 其中:①電網輸入,220 V 交流電;②整流模塊,全橋整流結構和boost 升壓功率因數校準(PFC)電路;③逆變模塊,全橋逆變結構,功率器件為MOSFET;④初級LCC 復合補償拓撲結構;⑤耦合器,圓形耦合線圈和鐵氧體輪輻式布置;⑥次級LCC 補償拓撲結構;⑦次級全橋整流結構;⑧次級LC 濾波結構。

經過系統參數匹配計算,對系統各模塊電路元件進行選型,參數如表2 所示。 根據圖1 和表2,在ANSYS Maxwell 中建立耦合線圈模型,如圖3 所示,線圈參數如表3 所示。 考慮到耦合線圈的形狀,本文選擇如圖3(b)所示的鐵氧體輪輻式結構,長短鐵氧體交錯布置,可以有效提高圓形線圈的磁場耦合能力,鐵氧體設計參數如表4 所示。 根據圖2所示的無線充電系統模塊方案建立仿真模型,對整個電路模型的電氣特性進行仿真分析。

表2 電路元件參數Table 2 Circuit element parameters

表3 耦合線圈參數Table 3 Coupling coil parameters

表4 鐵氧體設計參數Table 4 Design parameters of ferrite

圖2 無線充電系統各模塊方案Fig.2 Solution to each module of wireless charging system

圖3 耦合裝置Fig.3 Coupling device

從圖4 仿真結果可知,系統在4 ms 后系統輸出直流電流和電壓達到穩定值,輸出功率為3.7 kW,滿足系統設計要求,驗證了系統電氣功能的正確性。

圖4 電氣特性聯合仿真結果Fig.4 Co-simulation of electrical characteristics

1.2 無線充電系統高頻電路模型

1.2.1 干擾源模型MOSFET 快速通斷產生的瞬變電流和電壓是無線充電系統產生電磁干攏(EMI) 的根源。MOSFET 的高頻等效電路如圖5(a)所示,參考數據手冊,得到表5 所示的基本特性參數。 利用ANSYS Simplorer, 建 立 MOSFET 動 態 模 型 如圖5(b)所示,其中VM 為電壓表。

圖5 MOSFET 模型Fig.5 MOSFET model

表5 MOSFET 基本特性參數Table 5 Basic characteristic parameters of MOSFET

將MOSFET 動態模型加入系統中,仿真得到MOSFET 源漏極電壓,如圖6 所示。 可以看到,由于MOSFET 存在極間寄生電容和引線電感,在電壓波形上升和下降處出現振鈴現象,振鈴峰值電壓達到440 V,超出額定工作電壓60 V。

圖6 MOSFET 輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveform of MOSFET

1.2.2 系統模型

在150 kHz ～30 MHz 頻段,電磁干擾的傳播路徑主要與無線充電系統電路的高頻參數有關,包括MOSFET 寄生參數、線纜寄生參數、LCC 拓撲電路和耦合線圈高頻參數,如表6 所示。 根據系統結構和高頻參數,建立了無線充電系統高頻電路模型,如圖7 所示。

圖7 無線充電系統高頻電路模型Fig.7 High-frequency circuit model of wireless charging system

表6 各元件電氣參數和寄生參數Table 6 Electrical parameters and parasitic parameters of each component

1.2.3 寄生參數提取

無線充電系統高頻模型的關鍵參數是耦合線圈、LCC 拓撲電路和線纜的高頻寄生參數。 采用矢量網絡分析儀(VNA)測量和理論分析結合的方法獲取高頻寄生參數。

1) 耦合線圈。 由多匝利茲線纜繞制而成的耦合線圈可看做電感,并等效為電感模型進行測量,對線圈的寄生參數進行提取,圖8 為單個耦合線圈的測量布置、等效電路及阻抗測量結果。 諧振頻率為700 kHz,計算得到初級線圈電阻RLp為205.720 2 mΩ,初級線圈電容CLp為3 627 pF,初級線圈電感Lp為218.811 9 μH。 除了單個耦合線圈自身的寄生參數,還需要考慮其對其他元件之間的寄生參數,如線圈對地電容及兩線圈之間的寄生電容。

圖8 耦合線圈參數提取Fig.8 Parameter extraction of coupling coil

2) 線纜寄生參數。 在LCC 補償拓撲與耦合線圈之間采用2 根長度為800 mm、截面為16 mm2的銅芯屏蔽線纜。 圖9 為正極線纜的等效電路及阻抗測量結果。 根據諧振頻率20 MHz 處的阻抗值,計算得到線圈電阻Rcable1為463.106 mΩ,線圈電容Ccable1為61.204 pF,線圈電感Lcable1為137.682 μH。 用同樣的方法計算負極線纜阻抗曲線。

圖9 正極線纜的等效電路及阻抗測量結果Fig.9 Equivalent circuit and impedance measurement of positive cable

3) LCC 拓補電路。 采用同樣的方法,測量LCC 拓撲的電容和電感的高頻參數,C1和L1的等效電路和阻抗如圖10 所示。 采用同樣的方法測量LCC 拓撲其他電容、電感及系統其他寄生參數,如各功率模塊對地電容及功率器件的寄生電容等。 最終獲得系統元件寄生參數的測量結果如表6所示。

圖10 LCC 拓撲的電容和電感的阻抗Fig.10 Impedances of capacitance and inductance of LCC topology

2 傳導干擾耦合路徑

2.1 差模干擾路徑

全橋逆變結構中4 個MOSFET 功率開關為交替通斷,選擇逆變模塊中MOS1 和MOS4 關斷、MOS2 和MOS3 導通時的工作模式,對初級側直流母線的差模干擾路徑進行分析。

假設MOS1 工作時,在正負電源線之間形成差模干擾電流源,根據差模電流的流向可以得到2 條主要的差模路徑,如圖11 所示。 第1 條為電流回流流經LISN,第2 條為電流流向耦合線圈。差模干擾路徑等效電路,如圖12(a)所示。 從圖11可以看出,差模干擾路徑在不考慮次級側電路的情況較為簡單。

圖11 差模干擾路徑Fig.11 Differential mode interference path

2.2 共模干擾路徑

MOS1 工作時,橋臂中點與地之間形成共模干擾電流源,根據系統各部分對地電容的分布,可以得到4 條主要的共模路徑,如圖13 所示。第1 條為電流流經LISN 后流向大地,第2 條為電流流經初級線圈后流向大地,第3 條為電流流經次級線圈后流向大地,最后1 條為電流流經橋臂中點后流向大地。 實際情況共模路徑應遠多于此。 共模干擾路徑等效電路如圖12(b)所示。

圖12 差模干擾和共模干擾路徑等效電路Fig.12 Equivalent circuits of different mode interference and common mode interference

圖13 共模干擾路徑Fig.13 Common mode interference path

3 仿真與試驗結果分析

3.1 傳導發射仿真

基于SAE J2954[4]標準規定的無線充電系統傳導干擾的測量方法,根據圖7 所示的系統高頻電路模型在ANSYS Simplorer 平臺上搭建模型進行傳導干擾仿真。

分別給定差模干擾源和共模干擾源激勵信號,得到差模、共模干擾電壓及150 kHz ～30 MHz的頻域特性,如圖14 和圖15 所示。 可以看出,共模干擾電壓諧振頻率為MOSFET 開關頻率的偶次倍,差模干擾電壓諧振頻率為開關頻率的奇次倍。 共模干擾電壓幅值比差模干擾電壓大,特別是在高頻段,與理論分析一致。 共模電壓在170 kHz時的幅值達到最大值81.60 dBμV,不僅超出了標準規定傳導電壓限值,還可能會引起輻射發射問題。 差模電壓幅值雖然比共模電壓小,但在1.78 MHz 達到66.40 dBμV,超出了標準規定傳導電壓限值。

圖14 共模干擾電壓和差模干擾電壓Fig.14 Voltage of common mode interference and different mode interference

圖15 傳導電壓頻譜Fig.15 Conducted voltage spectrum

3.2 傳導發射試驗

根據標準SAE J2954[4]搭建了無線充電系統傳導發射試驗平臺,整個試驗布置在屏蔽暗室中,降低外界環境對試驗的影響,布置嚴格遵循標準要求的連接關系,保證控制箱與LISN 等設備良好接地。 完成設定之后,系統處于正常工作工況,對電源線上的傳導電壓進行測試,如圖16 所示。 傳導電壓在150 kHz ～30 MHz 頻段的測試結果如圖17所示。 在150 kHz ～3 MHz 之間,傳導電壓大于60 dBμV;在10 kHz ～1.5 MHz 誤差不超過20 dBμV,且在15 MHz 頻點處存在一個諧振尖峰,為超標風險頻點,測試結果曲線與仿真得到的傳導騷擾電壓結果在4 ～30 MHz 頻段一致,驗證了仿真模型的準確性。

圖16 無線充電系統傳導發射試驗布置Fig.16 Experimental setup of conducted emission of wireless charging system

圖17 傳導電壓試驗結果Fig.17 Experimental results of conducted voltage

4 結 論

本文構建了電動汽車雙邊LCC 拓撲結構無線充電系統傳導電磁干擾高頻電路模型,采用矢量網絡分析儀測量和理論計算結合的方法,重點對耦合線圈、高壓直流線纜和LCC 拓撲電路進行了高頻參數提取,系統模型具有較高的精度。

1) 根據標準SAE J2954,利用ANSYS Simplorer 進行了系統傳導電磁干擾建模仿真,從傳導騷擾電壓仿真結果可以看出,在150 kHz ～30 MHz頻段共模干擾比差模干擾顯著,并且都存在超標點。

2) 試驗與仿真的傳導電壓結果一致,驗證了仿真模型的準確性和有效性。 因此,可以利用建立的系統高頻電路模型,進行系統EMI 預測和抑制,以滿足標準限值要求。