陳思語,謝 岳,潘偉玲,冉 祎

(中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

一種電動汽車諧振式無線供電系統(tǒng)的研究

陳思語,謝 岳,潘偉玲,冉 祎

(中國計量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

針對諧振式無線供電系統(tǒng)初級線圈和次級線圈相對位置變化引起接收功率及輸出電壓變化的現(xiàn)象,以及二極管整流導(dǎo)致次級電路電流畸變和功率因數(shù)下降等問題,提出了一種基于PWM整流的電動汽車諧振式無線供電系統(tǒng)，即采用電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法,以保證供電系統(tǒng)的單位功率因數(shù)及直流電壓的恒定輸出，并且利用ANSYS和MATLAB/Simulink仿真軟件，分別研究電動汽車停車充電位置偏差對互感的影響及基于PWM整流的諧振式無線供電系統(tǒng)的性能,仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案設(shè)計的有效性.

電動汽車;無線供電;諧振;PWM整流

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的不斷推進(jìn),污染治理和新能源開發(fā)已經(jīng)被放在社會發(fā)展的戰(zhàn)略高度.電動汽車作為一種新能源機(jī)動車,不僅可以有效地解決尾氣排放問題,而且一定程度上也緩解了我國化石燃料短缺的現(xiàn)狀[1].諧振式無線供電技術(shù)因其供電過程中具有的安全、可靠及傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)而成為了電動汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2].

諧振式無線供電技術(shù)通過發(fā)射電路及接收電路發(fā)生諧振實(shí)現(xiàn)能量的有效傳遞[3].然而，隨著供電系統(tǒng)外部條件的不斷變化,電路參數(shù)的漂移導(dǎo)致諧振頻率的不穩(wěn)定,進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的傳輸性能[4].因此，有必要保證系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài).目前用于諧振式供電電路調(diào)諧控制的方法主要包括電源頻率跟蹤諧振頻率和諧振頻率跟蹤電源頻率兩種[5-8].前者通過功率和效率的控制實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸,但是通常需要提供額外的通訊通道來實(shí)現(xiàn)初次級電路的信息交換;后者基于電感調(diào)節(jié)和電容調(diào)節(jié),提出了相控電感和電容陣列兩種方案,然而相控電感的大范圍調(diào)諧容易引入嚴(yán)重的電流畸變,電容陣列則存在調(diào)諧范圍和調(diào)諧精度的矛盾.此外,現(xiàn)有無線供電系統(tǒng)的次級電路通常采用二極管整流實(shí)現(xiàn)直流輸出,但這會導(dǎo)致次級電路電流畸變及功率因數(shù)下降,并且輸出電壓會隨著傳輸距離和負(fù)載的變化而變化,因此需要增加電壓調(diào)節(jié)電路以維持輸出電壓的穩(wěn)定[9-10].

本文提出了一種基于PWM整流的電動汽車諧振式無線供電系統(tǒng),該供電系統(tǒng)能很好地補(bǔ)償諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的漂移,在傳輸距離變化時能維持負(fù)載兩端電壓穩(wěn)定并實(shí)現(xiàn)恒功率輸出,同時能實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的單位功率因數(shù).本文通過理論及仿真分析,證明了方案的可行性,同時將分析結(jié)果與現(xiàn)有二極管整流系統(tǒng)的性能相比較,驗(yàn)證了所提方案的優(yōu)越性.

1 無線供電系統(tǒng)原理分析

諧振式無線供電系統(tǒng)的原理圖如圖1,它包括初級諧振回路、次級諧振回路、整流電路和穩(wěn)壓電路,圖中高頻交流電壓源us(t)向由初級線圈電感L1、初級線圈電阻R1和初級諧振補(bǔ)償電容C1構(gòu)成的初級諧振回路提供電能,次級線圈電感L2、次級線圈電阻R2和次級諧振補(bǔ)償電容C2通過諧振耦合接收初級回路電能,并經(jīng)過二極管D1～D4構(gòu)成的全橋整流電路和穩(wěn)壓電容C,向負(fù)載Rload提供直流電壓udc(t).M為初次級線圈的互感,i1(t)和i2(t)分為初級回路和次級回路的電流,idc(t)為直流端輸出電流,ic(t)和iL(t)分別為穩(wěn)壓電容C及直流負(fù)載Rload上的電流.

圖1 諧振式無線供電系統(tǒng)原理圖 Figure 1 Schematic diagram of the resonantwireless power supply system

根據(jù)正弦等效原理將二極管整流電路、穩(wěn)壓電路及直流負(fù)載等效為交流負(fù)載RL=8Rload/π2[11].當(dāng)系統(tǒng)在電源角頻率ω處諧振時,初次級回路無功功率分別為零,負(fù)載接收的功率為

(1)

圖2所示為諧振式無線供電系統(tǒng)負(fù)載接收功率與負(fù)載和互感的關(guān)系圖.此時,高頻交流電壓us(t)的電壓為110 V,頻率為15 kHz,初次級線圈的內(nèi)阻分別為0.3 Ω和0.05 Ω.從圖中可見,每個互感都對應(yīng)著一個匹配電阻使得負(fù)載接收功率最大,由式(1)可得：

(2)

(3)

式(2)(3)中，Pmax—負(fù)載最大接收功率;Rmax—負(fù)載匹配電阻.可見,當(dāng)恒功率輸出條件下負(fù)載功率小于最大接收功率Pmax時,總有一對互感及負(fù)載電阻滿足系統(tǒng)的恒功率輸出.但對于圖1所示的電路,互感M變化或電路參數(shù)漂移時,會導(dǎo)致負(fù)載接收功率下降,并且輸出直流電壓udc(t)不穩(wěn)定.

圖2 負(fù)載接收功率P與負(fù)載RL和互感M的關(guān)系Figure 2 Load reception power as a function of load and mutual inductance

2 PWM整流無線供電系統(tǒng)

2.1 原理分析

為了改進(jìn)圖1電路的缺點(diǎn),本文提出了一種如圖3所示的基于PWM整流的諧振式無線供電系統(tǒng),圖中T1～T4構(gòu)成PWM整流電路.由圖3可知:

(4)

uAB(t)=udc(t)S(t).

(5)

式(4)(5)中，S(t)—PWM整流器的開關(guān)函數(shù),uAB(t)—PWM整流器交流側(cè)電壓.諧振穩(wěn)態(tài)條件下,僅考慮基波分量時,次級感應(yīng)電壓e2(t)=Mdi1(t)/dt=E2sinωt,i2(t)=I2sinωt,S(t)=msin(ωt+φ),其中，E2、I2—基波分量的峰值,m為調(diào)制比,且0

(6)

圖3 PWM整流諧振式無線供電系統(tǒng)原理圖Figure 3 Schematic diagram of the resonant wireless power supply system based on PWM rectifier

圖4 次級交流側(cè)矢量關(guān)系圖Figure 4 Vector diagram of second AC side

2.2 控制方法

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Block diagram of the inner loop current control

PWM整流器交流側(cè)指令電壓為

(7)

(8)

(9)

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可以得出該電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的.

由于次級交流電流i2(t)到整流器直流側(cè)輸出電流idc(t)是一個調(diào)制過程,該過程可以表示為

(10)

忽略idc(t)中二次諧波脈動分量,得到次級交流電流幅值I2到直流側(cè)輸出電流直流分量Idc的傳遞函數(shù)

(11)

Wvc(s)=

(12)

圖6 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Block diagram of the outer loop voltage control

3 互感的仿真研究

3.1 ANSYS有限元電磁仿真

在電動汽車無線供電系統(tǒng)中,停車位置的偏移及汽車本身載重會造成初次級線圈相對位置變化,從而影響兩線圈間的耦合程度,即互感的數(shù)值.假定電動汽車的充電距離為30 cm,初級線圈半徑為0.4 m,次級線圈半徑為0.3 m,總橫截面積分別為450 mm2和100 mm2.利用ANSYS有限元分析軟件建立平行線圈電感的三維仿真模型,分析線圈相對位置與互感關(guān)系.

如圖7(a)和圖7(b),同軸平行兩線圈關(guān)于Y軸對稱,中心水平偏移平行兩線圈關(guān)于XOY面對稱,因此為減小生成的單元和節(jié)點(diǎn),提高計算速度,分別建立四分之一和二分之一模型.利用LMATRIX宏命令語句計算電感參數(shù),得到初次級線圈自感分別為1.525 μH和2.538 μH,線圈相對位置與互感關(guān)系曲線如圖8(a)和圖8(b).由仿真結(jié)果可知,互感隨垂直距離和水平偏移量的增加而減小.從仿真結(jié)果可見電動汽車停車位置在垂直28～31 cm及水平偏移±10 cm范圍內(nèi),互感M的變化范圍為6.73～7.61 μH,下面以此范圍對該無線供電系統(tǒng)的特性進(jìn)行研究.

圖7 線圈三維模型Figure 7 Three-dimensional models of coils

圖8 線圈相對位置與互感關(guān)系曲線Figure 8 Relative position between coils as a function of mutual inductance

3.2 無線供電系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證設(shè)計方案的有效性,利用MATLAB/Simulink軟件分別建立了二極管整流和PWM整流兩種模型,仿真步長均為3.75 e-8s固定步長.二極管整流方案中直流負(fù)載為同軸平行兩線圈相距30 cm時的匹配負(fù)載,PWM整流方案中直流負(fù)載為50 Ω,直流輸出電壓500 V,穩(wěn)壓電容為110 μF,其余參數(shù)不變.

圖9 次級感應(yīng)電壓e2與電流i2波形Figure 9 Waveforms of the secondary induced voltage and current

圖9(a)和圖9(b)分別為初次級線圈豎直間距為30 cm水平偏移為0 cm時,二極管整流和PWM整流方案中次級感應(yīng)電壓與次級交流側(cè)電流波形,其中交流電流諧波含量分別為7.87%和1.12%,功率因數(shù)分別為0.993和1.由圖9可以看出,二極管整流電路交流側(cè)電流畸變較大且功率因數(shù)小于1;而PWM整流電路次級電流為較光滑的正弦波,功率因數(shù)等于1.圖10為互感變化時負(fù)載接收功率關(guān)系圖,圖中Pmin、Pmax分別為圖2中負(fù)載接收的最小和最大功率曲線,P和Pdiode分別為固定30 cm最佳負(fù)載時,理論計算和二極管整流方案負(fù)載接收功率曲線;PPWM為本文所提方案負(fù)載接收功率曲線.從圖10中可以看出,互感發(fā)生變化時,二極管整流方案的負(fù)載接收功率存在極大值,與理論分析負(fù)載接收功率趨勢保持一致,但二極管整流方案負(fù)載接收功率普遍低于理論值,這是因?yàn)槎O管整流電路中次級交流側(cè)電流畸變嚴(yán)重,導(dǎo)致功率因數(shù)不為1;而基于PWM整流器的磁耦合諧振式無線供電系統(tǒng)在線圈相對位置變化時,能夠維持輸出功率恒定.圖11為互感固定,直流負(fù)載變化時輸出直流電壓曲線.由圖11可知,直流負(fù)載增大時,二極管整流電路輸出電壓隨之增大,而PWM整流方案輸出電壓則維持不變.

圖10 負(fù)載接收功率P與互感M關(guān)系圖Figure 10 Relationship between mutual inductance and load reception power

圖11 直流輸出電壓Udc與負(fù)載電阻RL關(guān)系圖Figure 11 Relationship between output DC voltage and load

以上仿真結(jié)果表明,本文所設(shè)計的基于PWM整流的無線供電系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)次級回路諧振和直流側(cè)恒壓輸出,而且諧波含量低,畸變率小,并具有較好的抗負(fù)載擾動的能力.

4 結(jié) 語

本文在磁耦合諧振原理的基礎(chǔ)上,提出了一種基于PWM整流的無線供電系統(tǒng),分析了電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行及次級保持恒壓輸出的工作原理,并結(jié)合ANSYS有限元分析和MATLAB/Simulink軟件對本文所提方案和二極管整流方案進(jìn)行了仿真研究.仿真結(jié)果表明,在線圈相對位置發(fā)生變化時,該系統(tǒng)能夠自動調(diào)諧并維持恒壓輸出,且具有諧波含量低、電流畸變小、抗負(fù)載擾動等優(yōu)點(diǎn),從而驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計的合理性和可行性,為電動汽車無線供電提供了一種全新的技術(shù)方案.

[1] 曹玲玲,陳乾宏,任小永,等.電動汽車高效率無線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(8):1-13. CAO Lingling, CHEN Qianhong, REN Xiaoyong,et al. Review of the efficient wireless power transmission technique for electric vehicles[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(8):1-13.

[2] HUI S Y R, ZHONG W X, LEE C K. A critical review of recent progress in mid-range wireless power transfer[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(9):4500-4511.

[3] 張獻(xiàn),楊慶新,陳海燕,等.電磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的建模、設(shè)計與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,32(21):153-158. ZHANG Xian, YANG Qingxin, CHEN Haiyan, et al. Modeling and design and experimental verification of contactless power transmission systems via electromagnetic resonant coupling[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(21):153-158.

[4] 李晨東,黃守道,李中啟,等.磁耦合諧振式無線電能傳輸功率與效率分析[J].電力電子技術(shù),2014,48(3):28-31. LI Chendong, HUANG Shoudao, LI Zhongqi, et al. Analysis on the power and efficiency of magnetic coupling resonant based on wireless power transfer[J].Power Electronics,2014,48(3):28-31.

[5] ISHIHARA H, MORITSUKA F, KUDO H, et.al. A voltage ratio-based efficiency control method for 3 kW wireless power transmission[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Fort Worth: IEEE,2014:1312-1316.

[6] XIN Dai, YUE Sun. An accurate frequency tracking method based on short current detection for inductive power transfer system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014,61(2):776-783.

[7] 強(qiáng)浩,黃學(xué)良,譚林林,等.基于動態(tài)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的最大功率傳輸[J].中國科學(xué):技術(shù)科學(xué),2012,42(7):830-837. QIANG Hao, HUANG Xueliang, TAN Linlin, et al. Achieving maximum power transfer of inductively coupled wireless power transfer system based on dynamic tuning control[J].Scientia Sinica: Technological,2012,42(7):830-837.

[8] TECK C B, MASAKI K, TAKEHIRO I, et al. Automated impedance matching system for robust wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(9):3689-3698.

[9] MICKEL B, JOHN T B, HUANG Changyu. Development of a single-side flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(1):318-328.

[10] HUANG Changyu, JOHN T B, GRANT A C, et al. Practical considerations for designing IPT system for EV battery charging[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Michigan：IEEE,2009:402-407.

[11] LI Siqi, CHUNTING C M. Wireless power transfer for electric vehicle applications[J].Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2014,99:1-14.

Research on a resonant wireless power supply system for electric vehicles

CHEN Siyu, XIE Yue, PAN Weiling, RAN Yi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In a resonant wireless supply system, the received power and output voltage change along with the relative position change between the primary coils and the secondary coils. Meanwhile, the current waveform in the received side is distorted and the power factor decreases due to the use of diode type rectifiers. An electric vehicle resonant wireless supply system based on PWM rectifiers was proposed to deal with these issues. By using double-loop control approach which was composed of outer loop voltage and inner loop current control, both system unity power factor and constant DC voltage output were achieved. The effects of parking position deviation on mutual inductance and the wireless supply system performance based on PWM rectifier were studied respectively by using the ANSYS and MATLAB/Simulink simulation softwares. The simulation results verify the correction of the system design.

electric vehicles; wireless power supply; resonant; PWM rectifier

1004-1540(2015)02-0206-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.015

2014-12-20 《中國計量學(xué)院學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TM724

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