高俊嶺, 張 強(qiáng)

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232000)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展以及環(huán)保等方面的要求，電動(dòng)汽車迎來(lái)了高速發(fā)展，電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)也受到了廣泛的關(guān)注。在靜態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)中，為了補(bǔ)償漏感，需添加相應(yīng)的補(bǔ)償電路，目前有SS型、SP型、PS型以及PP型這四種基本的補(bǔ)償電路。本文對(duì)SS型補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行分析，采用控制變量法，通過(guò)Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。進(jìn)而根據(jù)仿真結(jié)果研究SS型進(jìn)行補(bǔ)償拓?fù)涞臒o(wú)線充電系統(tǒng)在不同的電阻、電感和頻率下系統(tǒng)的輸出功率、傳輸功率的變化特點(diǎn)。

1 磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)

目前的無(wú)線充電技術(shù)主要包括電磁波輻射式、電磁感應(yīng)式以及磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)等，其中磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)的傳輸功率較大且適合中距離傳輸，更適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電領(lǐng)域。

在磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)中，首先會(huì)將電網(wǎng)提供的交流電進(jìn)行整流濾波轉(zhuǎn)化為直流電，然后再進(jìn)行高頻變換使其成為高頻交流電，最后通過(guò)由補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈組成的原邊諧振單元來(lái)為副邊提供電能。副邊的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和接收線圈組成接收端諧振單元，此諧振頻率與原邊諧振單元的諧振頻率相同，副邊接收的電能為高頻交流電，然后通過(guò)整流濾波和一系列后續(xù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)榭蔀殡妱?dòng)汽車中的電池供電的直流電。電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

2 無(wú)線充電系統(tǒng)SS型補(bǔ)償拓?fù)浞治?/h2>

磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)相當(dāng)于松耦合變壓器，系統(tǒng)中存在著大量的漏感，通過(guò)在系統(tǒng)中添加電容可以補(bǔ)償漏感，提高系統(tǒng)的輸出功率和效率。補(bǔ)償電容和電感線圈的連接形式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種，系統(tǒng)中有原邊和副邊兩組電感線圈，因此整個(gè)系統(tǒng)一共可應(yīng)用四種基本的補(bǔ)償拓?fù)?。這四種補(bǔ)償電路包括SS型、SP型、PS型以及PP型[2]。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

以SS型補(bǔ)償拓?fù)錇槔?，添加輸入電壓及?fù)載，得到SS型補(bǔ)償電路的互感等效模型，并對(duì)其進(jìn)行分析。其結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 SS型補(bǔ)償拓?fù)涞牡刃щ娐纺Ｐ?/p>

如圖3所示，U1為原邊電路輸入電壓，C1為原邊電容，R1為原邊線圈內(nèi)阻，L1為原邊電感，-jωMI2為原邊互感等效電壓源；jωMI1為副邊互感等效電壓源，L2為副邊電感，R2為副邊線圈內(nèi)阻，C2為副邊電容，RL為負(fù)載電阻。M為電感線圈的互感。對(duì)原、副邊列寫回路方程有：

(1)

(2)

(3)

(4)

由(3),(4)式可得整個(gè)系統(tǒng)的輸入、輸出效率：

(5)

(6)

則可得系統(tǒng)的傳輸效率：

(7)

3 SS型補(bǔ)償拓?fù)涞呢?fù)載特性分析

圖4 輸出功率隨負(fù)載的變化曲線

圖5 效率隨負(fù)載的變化曲線

由圖4可知，SS型結(jié)構(gòu)電路的輸出功率隨負(fù)載的增大而線性增大，并且由公式(6)可得系統(tǒng)的輸出功率可由改變U1而改變，且根據(jù)公式(7)，系統(tǒng)的效率并不受U1變化的影響。

由圖5可知，系統(tǒng)的效率在0～3Ω時(shí)較低，但效率的增長(zhǎng)速度很快，在3～30Ω這一階段效率的增速緩慢，但效率值均高于80%。電動(dòng)汽車充電過(guò)程中的電池等效電阻一般在3～20Ω之間，因此SS型結(jié)構(gòu)電路可在電動(dòng)汽車無(wú)線充電過(guò)程中保持高效率。

4 SS型補(bǔ)償拓?fù)涞幕ジ刑匦苑治?/h2>

圖6 輸出功率隨互感的變化曲線

圖7 效率隨互感的變化曲線

電動(dòng)汽車停車充電時(shí)的位置，汽車充電設(shè)備距離地面的位置等都會(huì)導(dǎo)致互感的變化，電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的互感大致在10～30μH之間，在這一階段由圖6可知，隨著互感的增加，輸出功率在不斷下降，但其仍保持較高的數(shù)值。而根據(jù)圖7，隨著互感的增加，系統(tǒng)的效率在提高，且效率都在80%以上，由此可知SS補(bǔ)償拓?fù)涞碾娐吩陔妱?dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的互感范圍內(nèi)可保持較高的輸出功率和效率。

5 SS型補(bǔ)償拓?fù)涞念l率特性分析

以系統(tǒng)的角頻率ω為自變量，ω在400×103rad/s-600×103rad/s之間，負(fù)載RL分別取10Ω和15Ω，互感M=20×10-6H，其他參數(shù)同上，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)要注意的是頻率的改變會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)非諧振的情況，因此式(5)、式(6)和式(7)都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，此時(shí)有：

(8)

(9)

圖8 輸出功率隨角頻率的變化曲線

圖9 效率隨角頻率的變化曲線

(10)

依據(jù)式(8)、式(9)和式(10)進(jìn)行matlab仿真，結(jié)果如下圖：

由圖8和圖9可知，系統(tǒng)的輸出功率和效率均在ω=500×103rad/s處達(dá)到峰值，說(shuō)明諧振頻率是該系統(tǒng)的最佳頻率。并且峰值處較為平緩，說(shuō)明系統(tǒng)可以承受一定的頻率波動(dòng)。然而輸出功率和效率在系統(tǒng)頻率與諧振頻率有較大出入時(shí)會(huì)急劇下降，這說(shuō)明了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中要避免頻率波動(dòng)過(guò)大。

6 結(jié) 語(yǔ)

SS型補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電動(dòng)汽車充電過(guò)程中的電池等效電阻為3～20Ω之間，互感大致在10～30μH之間[8]，在這些條件的約束下SS型補(bǔ)償拓?fù)涞碾妱?dòng)汽車磁耦合諧振電路系統(tǒng)仍能保持較高的輸出功率和效率；并且通過(guò)頻率特性分析可知，SS型補(bǔ)償拓?fù)涞碾妱?dòng)汽車磁耦合諧振系統(tǒng)還能夠承受較大范圍的頻率波動(dòng)。因此SS型補(bǔ)償拓?fù)淇勺鳛殡妱?dòng)汽車磁耦合諧振電路的最優(yōu)補(bǔ)償電路。