夏許可, 李良光, 田興華, 耿曉峰, 劉振鑫(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南 232001)

基于電感耦合電能傳輸技術(shù)的智能充電站研究

夏許可, 李良光, 田興華, 耿曉峰, 劉振鑫
(安徽理工大學(xué), 安徽 淮南 232001)

針對(duì)非接觸式電能傳輸存在的傳輸效率不高的問題,分析了影響非接觸式電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的因素,利用互感理論搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系統(tǒng)模型。在不同的開關(guān)頻率和互感系數(shù)下,研究了開關(guān)頻率、互感系數(shù)與系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率之間的關(guān)系。仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)在開關(guān)頻率為60 kHz時(shí),傳輸效率達(dá)到峰值。

非接觸式電能傳輸; 電感耦合電能傳輸; 互感理論; 軟開關(guān)

0 引 言

非接觸式電能傳輸技術(shù)主要分為電感耦合電能傳輸(Inductively Coupled Power Transfer,ICPT)技術(shù)、電場(chǎng)耦合電能傳輸以及基于磁共振原理的非接觸電能傳輸[1]。ICPT技術(shù)通過高頻電磁場(chǎng)的耦合來實(shí)現(xiàn)電能的非接觸式傳輸。目前,ICPT技術(shù)的應(yīng)用相對(duì)成熟,已得到廣泛的使用。

智能充電站系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車、電動(dòng)汽車等用電設(shè)備的即停即充?？焖?、安全和便捷性是智能充電站系統(tǒng)考慮的關(guān)鍵因素。采用ICPT技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)電能的安全、便捷、無接觸傳輸。為了構(gòu)建基于ICPT技術(shù)的智能充電站系統(tǒng),需要考慮提高電能傳輸功率和傳輸效率等問題。

本文利用互感理論搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系統(tǒng)模型。仿真模型采用SP電容補(bǔ)償方式,使用ZCS軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)高頻逆變器控制。

1 ICPT系統(tǒng)的基本工作原理

ICPT技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理,通過松耦合變壓器將一次側(cè)電能經(jīng)過鐵心和一定厚度的空氣媒質(zhì)傳輸?shù)蕉蝹?cè),實(shí)現(xiàn)電能在無電氣連接情況下的傳輸[2]。由于空氣的磁阻較大,導(dǎo)磁特性遠(yuǎn)不如鐵心,電能傳輸?shù)男瘦^低。對(duì)非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的研究重點(diǎn)是提高電能傳輸功率和傳輸效率。

ICPT系統(tǒng)原理圖如圖1所示。輸入整流濾波電路將交流電整流成直流電。高頻逆變器將直流電逆變成高頻方波電壓,為松耦合變壓器一次側(cè)提供電能。松耦合變壓器通過磁場(chǎng)耦合將一次側(cè)電能傳輸至二次側(cè),補(bǔ)償電路使變壓器工作在諧振狀態(tài)。輸出整流濾波電路使接收的高頻方波電壓整流成負(fù)載所需的直流電。

圖1 ICPT系統(tǒng)原理圖

2 ICPT系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率影響因素分析

ICPT系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 ICPT系統(tǒng)模型

圖2(a)中,分別對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)回路列KVL方程,得

(1)

由式(1),計(jì)算出I1和I2分別為

(2)

(3)

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)阻抗最小,無功功率為0,系統(tǒng)的電能傳輸效率相對(duì)較高。

圖2(b)中,補(bǔ)償電容C1、C2的容量為

(4)

系統(tǒng)經(jīng)過補(bǔ)償后,分別對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)回路列KVL方程,得

(5)

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí),一次側(cè)輸入功率為

(6)

二次側(cè)輸出功率為

(7)

由式(6)、(7)可知,一次側(cè)、二次側(cè)輸出功率與電壓US、互感M、開關(guān)頻率f、系統(tǒng)內(nèi)阻R1、R2以及負(fù)載電阻RL有關(guān)。

系統(tǒng)傳輸效率為

(8)

由式(8)可知,電能的傳輸效率與系統(tǒng)內(nèi)阻R1、R2、互感M、開關(guān)頻率f、負(fù)載電阻RL有關(guān)。

由上述分析可知,提高傳輸效率方法主要有:調(diào)整高頻逆變器頻率;選擇合適的負(fù)載電阻;選擇合適的補(bǔ)償電容容量。系統(tǒng)確定后,負(fù)載電阻的大小也隨之確定,所以提高系統(tǒng)的傳輸效率主要從調(diào)整逆變器的頻率、添加電容補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)。

調(diào)整逆變器開關(guān)頻率,需要考慮到開關(guān)器件的最大開關(guān)頻率。但當(dāng)開關(guān)頻率顯著提高后,開關(guān)管的開關(guān)損耗迅速上升。目前,有效的解決方案是采用軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)利用電感與電容構(gòu)成的諧振零電流、零電壓開關(guān)來降低開關(guān)損耗[3]。

電容補(bǔ)償類型如圖3所示。

圖3 電容補(bǔ)償類型

3 ICPT系統(tǒng)控制策略分析

為提高ICPT系統(tǒng)的傳輸效率,需要選擇合適的開關(guān)頻率和松耦合變壓器的電感參數(shù)。為降低開關(guān)管的開關(guān)損耗,高頻逆變器采用基于ZCS軟開關(guān)技術(shù)的控制策略。松耦合變壓器的一次側(cè)補(bǔ)償電容、電感處于諧振狀態(tài),高頻逆變器的輸出電流為正弦波。當(dāng)高頻逆變器的電流過零時(shí),通過改變開關(guān)管的控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管的零電流開關(guān)控制,以降低開關(guān)管的開關(guān)損耗,提高系統(tǒng)的傳輸效率。

采用ZCS軟開關(guān)技術(shù),逆變器的控制信號(hào)頻率由RC振蕩頻率決定。開關(guān)管的開關(guān)頻率為

(9)

式中:Lp——松耦合變壓器一次側(cè)電感;Cp——一次側(cè)串聯(lián)補(bǔ)償電容。

4 ICPT系統(tǒng)仿真

對(duì)于非接觸式電能傳輸系統(tǒng),目前采用的模型分析理論主要有耦合模理論、互感理論和二端口網(wǎng)絡(luò)[4]。其中,采用互感理論分析傳輸系統(tǒng)相對(duì)較簡單,且應(yīng)用比較廣泛。

互感理論基于發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感參數(shù)設(shè)定,來實(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的仿真。 松耦合變壓器互感理論模型如圖4所示。

圖4 松耦合變壓器互感理論模型

根據(jù)互感理論和基爾霍夫定律,發(fā)射線圈和接收線圈回路的電壓方程如下:

(10)

當(dāng)電容一次側(cè)電感Lp為54 μH、二次側(cè)電感Ls為85 μH、互感M為55 μH、輸入電壓Udc為40 V、負(fù)載電阻RL為200 Ω時(shí),不同開關(guān)頻率時(shí)電容參數(shù)如表1所示。

表1 不同開關(guān)頻率時(shí)電容參數(shù)

不同互感系數(shù)時(shí)主要參數(shù)如表2所示。

表2 不同互感系數(shù)時(shí)主要參數(shù)

5 ICPT系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

不同開關(guān)頻率時(shí)傳輸效率仿真曲線如圖5所示,互感系數(shù)為55 μH。

圖5 不同開關(guān)頻率時(shí)傳輸效率曲線

由圖5可知,當(dāng)開關(guān)頻率為10～40 kHz時(shí),開關(guān)頻率對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率影響較大,提高開關(guān)頻率,對(duì)提升傳輸效率明顯;當(dāng)開關(guān)頻率為40～80 kHz時(shí),開關(guān)頻率對(duì)系統(tǒng)的效率影響較小,提高開關(guān)頻率,對(duì)提升傳輸效率不明顯;開關(guān)頻率在60 kHz左右,傳輸效率達(dá)到峰值。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),可在40～80 kHz范圍內(nèi)選擇合適的開關(guān)頻率。不同互感系數(shù)時(shí),電源輸出功率、傳輸效率曲線如圖6所示,開關(guān)頻率為60 kHz。

圖6 不同互感系數(shù)時(shí)電源輸出功率、傳輸效率曲線

由圖6可知,隨著互感系數(shù)的增加,輸出功率和傳輸效率明顯提高;互感系數(shù)較小時(shí),系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率較低;互感系數(shù)較大時(shí),系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率較高。因此,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要提高互感系數(shù),以實(shí)現(xiàn)較高的傳輸效率。

6 結(jié) 語

理論分析了影響非接觸式電能傳輸系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的影響因素。利用互感理論搭建了基于MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明,非接觸式電能系統(tǒng)在開關(guān)頻率為40～80 kHz時(shí),傳輸效率較高;在開關(guān)頻率為60 kHz左右時(shí),傳輸效率達(dá)到峰值;隨著互感系數(shù)的增加,系統(tǒng)輸出功率和傳輸效率明顯提高。

[1] 陶成軒.非接觸式電能傳輸系統(tǒng)的輸出控制策略研究[D].重慶:重慶大學(xué),2012.

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

[3] 張占松,張心益.高頻開關(guān)變換技術(shù)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4] 黃學(xué)良,譚林林,陳中,等.無線電能傳輸技術(shù)與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(10):1-11.

Study of Smart Charging Station Based on Inductively Coupled Power Transfer Technology

XIAXuke,LILiangguang,TIANXinghua,GENGXiaofeng,LIUZhenxin

(Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Aiming at the lower transmission efficiency in non-contact power transmission,this paper analyzed the factors which affect the transmission power and transmission efficiency of the non-contact power transmission system.Meanwhile,a system model which is based on MATLAB/Simulink simulation platform according to mutual theory was built to study the relationship between the switching frequency,the mutual inductance and transmission power,transmission efficiency at different values of mutual inductance and the switching frequency.The simulation results show that the transmission efficiency of the system reaches the peak value when the switching frequency is 60 kHz.

non-contact power transmission; inductively coupled power transfer(ICPT); mutual theory; soft switch

夏許可(1991—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)榉墙佑|式電能傳輸技術(shù)。

2014年安徽理工大學(xué)學(xué)生科研基金資助項(xiàng)目(ZY141)

TM 912

A

1674-8417(2015)04-0001-04

2014-11-19

李良光(1960—),男,副教授,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

田興華(1989—),男,研究方向?yàn)殚_關(guān)電源技術(shù)。

耿曉峰(1992—),男,研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>

劉振鑫(1992—),男,研究方向?yàn)殡娮有畔⒐こ獭?/p>