呂夢(mèng)圓 翟麗 胡桂興

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院, 北京 100081)

無(wú)線充電是未來(lái)電動(dòng)汽車充電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[1],利用初級(jí)線圈將高頻交流電以高頻交變電磁場(chǎng)的形式向空間傳輸,并以電磁場(chǎng)耦合的方式在接收端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而為動(dòng)力電池充電[2]。 目前,電磁場(chǎng)安全問(wèn)題和電磁兼容問(wèn)題是無(wú)線充電系統(tǒng)需要重點(diǎn)關(guān)注的2 個(gè)方面[3]。 標(biāo)準(zhǔn)SAE J2954[4]和IEC TS 61980-2[5]等國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)都定義了泄漏電磁場(chǎng)和電磁騷擾的限值[4-5]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸功率、耦合器效率和電磁場(chǎng)分布研究較多[6-9]。 無(wú)線充電系統(tǒng)初級(jí)側(cè)逆變器工作時(shí),功率開關(guān)產(chǎn)生瞬變電流和電壓,通過(guò)系統(tǒng)寄生參數(shù),形成電磁騷擾傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。Kim 等[10]只對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的電流低次諧波進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。 目前,干擾預(yù)測(cè)與評(píng)估是無(wú)線充電系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾的研究重點(diǎn)[11-12]。其中,建立有效、準(zhǔn)確的系統(tǒng)高頻電路模型是傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測(cè)的難點(diǎn)。 在前期研究中,很多學(xué)者采用簡(jiǎn)化模型、理想估計(jì)模型、“黑盒子” 端口網(wǎng)絡(luò)方法,建立傳導(dǎo)電磁干擾預(yù)測(cè)模型[13-14]。 Qi等[15]對(duì)串聯(lián)式補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真,預(yù)測(cè)共模電磁干擾,只考慮了逆變器功率開關(guān)寄生參數(shù)的影響。 然而,沒(méi)有考慮耦合線圈、線纜和補(bǔ)償電路元件的寄生參數(shù)對(duì)高頻電磁干擾的影響,致使傳導(dǎo)電磁干擾仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果有偏差。 本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2954 構(gòu)建3.7 kW 的無(wú)線充電系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)中各模塊進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。 采用測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)合的方法,對(duì)耦合線圈、線纜和補(bǔ)償電路元件進(jìn)行了寄生參數(shù)提取,并考慮了功率開關(guān)寄生參數(shù)的影響,建立了無(wú)線充電系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾高頻電路模型。 通過(guò)建模仿真和試驗(yàn),研究無(wú)線充電系統(tǒng)電源線傳導(dǎo)電磁干擾。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與建模

依據(jù)SAE J2954[4]標(biāo)準(zhǔn),構(gòu)建最大輸出功率為3.7 kW 的無(wú)線充電系統(tǒng),如圖1 所示,主要由初級(jí)功率模塊、無(wú)線耦合器、次級(jí)功率模塊組成,主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1 所示。 圓形耦合線圈在各個(gè)方向上具有相同的抗偏移性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,目前廣泛應(yīng)用于靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。 因此,無(wú)線耦合器選取圓形耦合線圈結(jié)構(gòu)。

表1 無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design specifications of wireless charger

圖1 典型無(wú)線充電系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of typical wireless charging system

1.1 系統(tǒng)電路模型

根據(jù)圖1 和表1,利用仿真軟件ANSYS Simplorer 對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的主功率電路進(jìn)行建模,如圖2 所示。 其中:①電網(wǎng)輸入,220 V 交流電;②整流模塊,全橋整流結(jié)構(gòu)和boost 升壓功率因數(shù)校準(zhǔn)(PFC)電路;③逆變模塊,全橋逆變結(jié)構(gòu),功率器件為MOSFET;④初級(jí)LCC 復(fù)合補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);⑤耦合器,圓形耦合線圈和鐵氧體輪輻式布置;⑥次級(jí)LCC 補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);⑦次級(jí)全橋整流結(jié)構(gòu);⑧次級(jí)LC 濾波結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)參數(shù)匹配計(jì)算,對(duì)系統(tǒng)各模塊電路元件進(jìn)行選型,參數(shù)如表2 所示。 根據(jù)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(shù)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(jié)構(gòu),長(zhǎng)短鐵氧體交錯(cuò)布置,可以有效提高圓形線圈的磁場(chǎng)耦合能力,鐵氧體設(shè)計(jì)參數(shù)如表4 所示。 根據(jù)圖2所示的無(wú)線充電系統(tǒng)模塊方案建立仿真模型,對(duì)整個(gè)電路模型的電氣特性進(jìn)行仿真分析。

表2 電路元件參數(shù)Table 2 Circuit element parameters

表3 耦合線圈參數(shù)Table 3 Coupling coil parameters

表4 鐵氧體設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of ferrite

圖2 無(wú)線充電系統(tǒng)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(jié)果可知,系統(tǒng)在4 ms 后系統(tǒng)輸出直流電流和電壓達(dá)到穩(wěn)定值,輸出功率為3.7 kW,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了系統(tǒng)電氣功能的正確性。

圖4 電氣特性聯(lián)合仿真結(jié)果Fig.4 Co-simulation of electrical characteristics

1.2 無(wú)線充電系統(tǒng)高頻電路模型

1.2.1 干擾源模型MOSFET 快速通斷產(chǎn)生的瞬變電流和電壓是無(wú)線充電系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)據(jù)手冊(cè),得到表5 所示的基本特性參數(shù)。 利用ANSYS Simplorer, 建 立 MOSFET 動(dòng) 態(tài) 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(shù)Table 5 Basic characteristic parameters of MOSFET

將MOSFET 動(dòng)態(tài)模型加入系統(tǒng)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(xiàn)振鈴現(xiàn)象,振鈴峰值電壓達(dá)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(tǒng)模型

在150 kHz ～30 MHz 頻段,電磁干擾的傳播路徑主要與無(wú)線充電系統(tǒng)電路的高頻參數(shù)有關(guān),包括MOSFET 寄生參數(shù)、線纜寄生參數(shù)、LCC 拓?fù)潆娐泛婉詈暇€圈高頻參數(shù),如表6 所示。 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和高頻參數(shù),建立了無(wú)線充電系統(tǒng)高頻電路模型,如圖7 所示。

圖7 無(wú)線充電系統(tǒng)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(shù)和寄生參數(shù)Table 6 Electrical parameters and parasitic parameters of each component

1.2.3 寄生參數(shù)提取

無(wú)線充電系統(tǒng)高頻模型的關(guān)鍵參數(shù)是耦合線圈、LCC 拓?fù)潆娐泛途€纜的高頻寄生參數(shù)。 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測(cè)量和理論分析結(jié)合的方法獲取高頻寄生參數(shù)。

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(jìn)行測(cè)量,對(duì)線圈的寄生參數(shù)進(jìn)行提取,圖8 為單個(gè)耦合線圈的測(cè)量布置、等效電路及阻抗測(cè)量結(jié)果。 諧振頻率為700 kHz,計(jì)算得到初級(jí)線圈電阻RLp為205.720 2 mΩ,初級(jí)線圈電容CLp為3 627 pF,初級(jí)線圈電感Lp為218.811 9 μH。 除了單個(gè)耦合線圈自身的寄生參數(shù),還需要考慮其對(duì)其他元件之間的寄生參數(shù),如線圈對(duì)地電容及兩線圈之間的寄生電容。

圖8 耦合線圈參數(shù)提取Fig.8 Parameter extraction of coupling coil

2) 線纜寄生參數(shù)。 在LCC 補(bǔ)償拓?fù)渑c耦合線圈之間采用2 根長(zhǎng)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(cè)量結(jié)果。 根據(jù)諧振頻率20 MHz 處的阻抗值,計(jì)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(jì)算負(fù)極線纜阻抗曲線。

圖9 正極線纜的等效電路及阻抗測(cè)量結(jié)果Fig.9 Equivalent circuit and impedance measurement of positive cable

3) LCC 拓補(bǔ)電路。 采用同樣的方法,測(cè)量LCC 拓?fù)涞碾娙莺碗姼械母哳l參數(shù),C1和L1的等效電路和阻抗如圖10 所示。 采用同樣的方法測(cè)量LCC 拓?fù)淦渌娙?、電感及系統(tǒng)其他寄生參數(shù),如各功率模塊對(duì)地電容及功率器件的寄生電容等。 最終獲得系統(tǒng)元件寄生參數(shù)的測(cè)量結(jié)果如表6所示。

圖10 LCC 拓?fù)涞碾娙莺碗姼械淖杩笷ig.10 Impedances of capacitance and inductance of LCC topology

2 傳導(dǎo)干擾耦合路徑

2.1 差模干擾路徑

全橋逆變結(jié)構(gòu)中4 個(gè)MOSFET 功率開關(guān)為交替通斷,選擇逆變模塊中MOS1 和MOS4 關(guān)斷、MOS2 和MOS3 導(dǎo)通時(shí)的工作模式,對(duì)初級(jí)側(cè)直流母線的差模干擾路徑進(jìn)行分析。

假設(shè)MOS1 工作時(shí),在正負(fù)電源線之間形成差模干擾電流源,根據(jù)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(jīng)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(jí)側(cè)電路的情況較為簡(jiǎn)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(shí),橋臂中點(diǎn)與地之間形成共模干擾電流源,根據(jù)系統(tǒng)各部分對(duì)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(jīng)LISN 后流向大地,第2 條為電流流經(jīng)初級(jí)線圈后流向大地,第3 條為電流流經(jīng)次級(jí)線圈后流向大地,最后1 條為電流流經(jīng)橋臂中點(diǎn)后流向大地。 實(shí)際情況共模路徑應(yīng)遠(yuǎn)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(yàn)結(jié)果分析

3.1 傳導(dǎo)發(fā)射仿真

基于SAE J2954[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無(wú)線充電系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的測(cè)量方法,根據(jù)圖7 所示的系統(tǒng)高頻電路模型在ANSYS Simplorer 平臺(tái)上搭建模型進(jìn)行傳導(dǎo)干擾仿真。

分別給定差模干擾源和共模干擾源激勵(lì)信號(hào),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(guān)頻率的偶次倍,差模干擾電壓諧振頻率為開關(guān)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(shí)的幅值達(dá)到最大值81.60 dBμV,不僅超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳導(dǎo)電壓限值,還可能會(huì)引起輻射發(fā)射問(wèn)題。 差模電壓幅值雖然比共模電壓小,但在1.78 MHz 達(dá)到66.40 dBμV,超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定傳導(dǎo)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(dǎo)電壓頻譜Fig.15 Conducted voltage spectrum

3.2 傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2954[4]搭建了無(wú)線充電系統(tǒng)傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)平臺(tái),整個(gè)試驗(yàn)布置在屏蔽暗室中,降低外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)的影響,布置嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)要求的連接關(guān)系,保證控制箱與LISN 等設(shè)備良好接地。 完成設(shè)定之后,系統(tǒng)處于正常工作工況,對(duì)電源線上的傳導(dǎo)電壓進(jìn)行測(cè)試,如圖16 所示。 傳導(dǎo)電壓在150 kHz ～30 MHz 頻段的測(cè)試結(jié)果如圖17所示。 在150 kHz ～3 MHz 之間,傳導(dǎo)電壓大于60 dBμV;在10 kHz ～1.5 MHz 誤差不超過(guò)20 dBμV,且在15 MHz 頻點(diǎn)處存在一個(gè)諧振尖峰,為超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)頻點(diǎn),測(cè)試結(jié)果曲線與仿真得到的傳導(dǎo)騷擾電壓結(jié)果在4 ～30 MHz 頻段一致,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖16 無(wú)線充電系統(tǒng)傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)布置Fig.16 Experimental setup of conducted emission of wireless charging system

圖17 傳導(dǎo)電壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Experimental results of conducted voltage

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建了電動(dòng)汽車雙邊LCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線充電系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾高頻電路模型,采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量和理論計(jì)算結(jié)合的方法,重點(diǎn)對(duì)耦合線圈、高壓直流線纜和LCC 拓?fù)潆娐愤M(jìn)行了高頻參數(shù)提取,系統(tǒng)模型具有較高的精度。

1) 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2954,利用ANSYS Simplorer 進(jìn)行了系統(tǒng)傳導(dǎo)電磁干擾建模仿真,從傳導(dǎo)騷擾電壓仿真結(jié)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(biāo)點(diǎn)。

2) 試驗(yàn)與仿真的傳導(dǎo)電壓結(jié)果一致,驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性和有效性。 因此,可以利用建立的系統(tǒng)高頻電路模型,進(jìn)行系統(tǒng)EMI 預(yù)測(cè)和抑制,以滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。