錢堯,孫運(yùn)全,朱偉

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),電動(dòng)汽車受到了越來(lái)越多的關(guān)注[1-3],而如何實(shí)現(xiàn)安全便捷的電池充電是電動(dòng)汽車研究的重點(diǎn)內(nèi)容[4]。無(wú)線充電憑借其安全穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在多種充電方式中脫穎而出[4-5]。電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,它一般是由兩部分組成:位于路基中的發(fā)射端(一次側(cè))和處于電動(dòng)汽車內(nèi)部的接收端(二次側(cè)),系統(tǒng)的兩端分別通過(guò)發(fā)射和接收能量完成電動(dòng)汽車的充電[6]。

圖1 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)

由圖1可知,交流電源分別通過(guò)功率因數(shù)校正器以及高頻逆變器轉(zhuǎn)換成高頻交流電;振耦合機(jī)構(gòu)通過(guò)交變磁場(chǎng)并利用電容和線圈電感諧振來(lái)抵消無(wú)功,當(dāng)兩側(cè)的諧振頻率相等時(shí)可實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸;整流濾波電路再將所接收到的能量轉(zhuǎn)變成所需的直流電,為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電,以上便是電動(dòng)汽車無(wú)線充電的基本原理[7]。

為了最大限度地降低電源的額定電壓和最大限度地提高系統(tǒng)的傳輸功率,系統(tǒng)中的線圈通常不直接驅(qū)動(dòng),而是由一組電容和電感補(bǔ)償[8-9]。這種補(bǔ)償方式有助于實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),從而提高相應(yīng)功率變換器的效率,同時(shí)還可以提供恒流或恒壓輸出[10]。系統(tǒng)的諧振補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有多重組合:發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)(SS)、發(fā)射端串聯(lián)-接收端并聯(lián)(SP)、發(fā)射端并聯(lián)-接收端串聯(lián)(PS)、發(fā)射端并聯(lián)-接收端并聯(lián)(PP)[11]。其中,SS在電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛,但是它的傳輸效率受負(fù)載的影響較大。文獻(xiàn)[12]提出雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它繼承了SS補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),為優(yōu)化系統(tǒng)效率和實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)提供了更大的靈活性。但是相對(duì)于SS拓?fù)溲a(bǔ)償結(jié)構(gòu)相比,雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn),即兩個(gè)補(bǔ)償電感會(huì)占用較大的體積,把它安裝在電動(dòng)汽車內(nèi)部時(shí)存在明顯的缺陷。

為了解決雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體積大的問(wèn)題,文獻(xiàn)[13]中提出了一種集成方法,把諧振補(bǔ)償線圈集成到主線圈里,將雙極性線圈作為兩側(cè)的主線圈、單極性線圈作為兩側(cè)補(bǔ)償線圈,它們共用一個(gè)磁芯,這樣可以適當(dāng)?shù)販p小因集成線圈而產(chǎn)生的多余的耦合系數(shù),提高系統(tǒng)的傳輸效率。但是當(dāng)一次側(cè)與二次側(cè)未完全對(duì)齊時(shí),系統(tǒng)的傳輸效率明顯降低。

所以文章在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展研究,設(shè)計(jì)出一種新型緊湊高效的雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將雙極性的補(bǔ)償線圈集成到單極性的主線圈中,該結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)提出了一種新型基于雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并能與單極性線圈結(jié)構(gòu)兼容的集成線圈的無(wú)線充電系統(tǒng);

(2)采用該集成線圈方法的無(wú)線充電系統(tǒng)可以最小化地消除系統(tǒng)中多余的額外耦合系數(shù),這是相對(duì)于文獻(xiàn)[13]的優(yōu)勢(shì);

(3)該無(wú)線充電系統(tǒng)在兩側(cè)線圈完全對(duì)齊和水平或垂直方向失調(diào)的情況下,具有較好的性能。

1 分析

基于雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的集成補(bǔ)償線圈和主線圈之間的交叉耦合系數(shù)示意圖如圖2所示,其中L1和L2為發(fā)射線圈和接收線圈的自感,Lf1、Cf1和C1分別為發(fā)射端的諧振電感和補(bǔ)償電容,Lf2、Cf2和C2為接收端的諧振電感和補(bǔ)償電容。該集成方法可以有效地使LCC無(wú)線充電系統(tǒng)更加緊湊,但是會(huì)產(chǎn)生多余的耦合系數(shù),K為發(fā)射端主線圈L1與接收端L2之間的耦合系數(shù),K1f1為一次側(cè)的主線圈L1與諧振線圈Lf1之間的耦合系數(shù),K的下標(biāo)表示兩個(gè)存在耦合的線圈,所以需要消除多余的耦合系數(shù)。

圖2 基于雙邊LCC的集成補(bǔ)償線圈和主線圈之間的交叉耦合系數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

集成線圈的結(jié)構(gòu)概況如圖3所示,線圈結(jié)構(gòu)的每一側(cè)都有四個(gè)有序排列的層:主線圈、補(bǔ)償線圈、鐵氧體板和鋁屏蔽,其中主線圈使用單極線圈,補(bǔ)償線圈使用雙極線圈。電能通過(guò)兩個(gè)主線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)從主線圈一端無(wú)線傳輸?shù)礁本€圈一端。鐵氧體板和鋁屏蔽體提供了足夠的磁屏蔽,使產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中在線圈結(jié)構(gòu)內(nèi)。

以一次側(cè)線圈為例,一次側(cè)補(bǔ)償線圈Lf1產(chǎn)生并通過(guò)主線圈L1的凈磁通為:

Ψ1f1=?Bf1·dS1

(1)

其中Bf1為磁通密度,S1為諧振線圈 L1的面積,由于雙極性線圈產(chǎn)生的磁通量從它的一個(gè)磁偶極子流向另一個(gè)磁偶極子[14-15],流入L1的磁通量等于流出L1的磁通量,所以凈磁通為零。因此,消除了L1與Lf1之間的耦合效應(yīng),此時(shí)耦合系數(shù)k1f1為零。同理磁通量Ψ1f1和耦合系數(shù)k2f1之間也是零。這種集成結(jié)構(gòu)消除了當(dāng)一次側(cè)與二次側(cè)完全對(duì)齊時(shí)的同側(cè)耦合系數(shù)和橫向額外耦合效應(yīng)。當(dāng)一次側(cè)與二次側(cè)產(chǎn)生偏移時(shí),由于同側(cè)線圈的相對(duì)位置不變,所以此時(shí)同側(cè)的耦合系數(shù)仍然為零。

在實(shí)際應(yīng)用中,由于諧振補(bǔ)償線圈的感量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主線圈的感量,并且主線圈與異側(cè)諧振線圈的距離相對(duì)較遠(yuǎn),所以此時(shí)它們之間的耦合系數(shù)很小,可以忽略不計(jì),這將在文中第三部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)得到驗(yàn)證。

當(dāng)系統(tǒng)中只存在兩側(cè)主線圈互感時(shí),雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)涞牡刃щ娐穲D如圖4所示,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),省略了全橋逆變器和整流器。其中vac為逆變器之后的交流電壓,Req為整流器之前的直流負(fù)載的等效電阻,M為L(zhǎng)1和L2之間的互感。

圖4 雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)涞牡刃щ娐?/p>

在固定諧振頻率點(diǎn)處對(duì)圖4電路進(jìn)行特性分析,可得到:

(2)

采用電流法,可將電路分為四個(gè)網(wǎng)格,通過(guò)求解電路方程,輸入功率方程可推導(dǎo)為:

(3)

此外:

(4)

若把功率損率忽略,將式(2)與式(3)合并可得到:

(5)

在實(shí)際應(yīng)用中,諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出電壓都是固定值,由式(5)可知傳輸功率與耦合系數(shù)k呈正相關(guān),所以優(yōu)化耦合系數(shù)k是保證電磁耦合機(jī)構(gòu)滿足能效特性要求的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線充電系統(tǒng)主要由逆變器、整流器和帶補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的線圈三部分組成,整個(gè)電系統(tǒng)的功率損耗主要來(lái)源于這三個(gè)部分。逆變器選用SiC mosfet,整流器選用二極管,由于在逆變器階段會(huì)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān),因此逆變器和整流器的大部分功率損耗是mosfet和二極管的傳導(dǎo)損耗,而在一個(gè)3.0 kW的無(wú)線充電系統(tǒng)中,損耗約為31 W,這僅僅才會(huì)導(dǎo)致了1%的效率下降。因此,系統(tǒng)的大部分功率損耗來(lái)自于線圈和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。在雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線充電系統(tǒng)中,有8個(gè)電路組件,分別為4個(gè)電感器和4個(gè)電容器。電路元件的功率損耗由它們的ESR決定,電感的ESR由電感的質(zhì)量因數(shù)、頻率和電感值決定,電容的ESR則由損耗因數(shù)、頻率和電容決定[10]。在諧振條件下,頻率是固定的,由式(2)可知電容值是由電感值確定。因此,設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是優(yōu)化四個(gè)電感的值,使系統(tǒng)能夠在期望的輸出功率下達(dá)到最高的效率。

2.1 主線圈的設(shè)計(jì)

由于功率傳遞依賴于兩個(gè)主線圈之間的耦合,因此在主線圈尺寸內(nèi)需要最大耦合系數(shù)。文中設(shè)計(jì)的主線圈的尺寸與文獻(xiàn)[13]中一致,以便于進(jìn)行比較分析。一次側(cè)主線圈和二次側(cè)主線圈尺寸分別為“600 mm×450 mm×4 mm”和“400 mm×300 mm×4 mm”,兩個(gè)線圈之間的間距為150 mm。耦合系數(shù)與線圈的幾何形狀密切相關(guān),一次側(cè)、二次側(cè)的主線圈仿真示意圖如圖5所示。

圖5 兩側(cè)主線圈結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)圖6的流程步驟,經(jīng)過(guò)仿真可得到當(dāng)一次側(cè)主線圈的寬度為200 mm,二次側(cè)主線圈的寬度為90 mm時(shí),此時(shí)的主耦合系數(shù)時(shí)最大值0.230 2,此時(shí)L1=230 μH,L2=180 μH。

圖6 主線圈設(shè)計(jì)流程圖

2.2 諧振線圈的設(shè)計(jì)

由2.1可知L1=230 μH,L2=180 μH,由文獻(xiàn)[13]可計(jì)算滿足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的諧振電感量為L(zhǎng)f1=56 μH,Lf2=43 μH。根據(jù)兩側(cè)補(bǔ)償線圈的要求值,利用ANSYS MAXWELL軟件對(duì)補(bǔ)償線圈進(jìn)行設(shè)計(jì),諧振線圈設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程如圖7所示。從實(shí)際設(shè)計(jì)的角度來(lái)考慮,兩個(gè)補(bǔ)償線圈之間的額外交叉耦合是不可避免的,因此文章的目標(biāo)是將額外交叉耦合系數(shù)最小化。研究補(bǔ)償線圈的不同長(zhǎng)寬來(lái)獲得最小耦合系數(shù)。文中補(bǔ)償線圈的長(zhǎng)寬比定義為“w/h”,其中w為補(bǔ)償線圈在y方向上的長(zhǎng)度,h為補(bǔ)償線圈在x方向上的長(zhǎng)度。由于雙極性線圈產(chǎn)生的磁通是單向的,而不是各向同性的[14-15]。因此,兩個(gè)補(bǔ)償線圈的位置會(huì)影響它們之間的耦合系數(shù)。文中研究了如圖8所示的諧振線圈的兩種放置情況:兩個(gè)線圈完全對(duì)準(zhǔn);其中兩個(gè)線圈未對(duì)準(zhǔn),角度為90°。這兩種情況下,初級(jí)和次級(jí)補(bǔ)償線圈的面積大約固定在50 000 mm2和40 000 mm2。通過(guò)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)一次側(cè)補(bǔ)償線圈長(zhǎng)寬比為“4:3”,二次側(cè)補(bǔ)償線圈長(zhǎng)寬比為“3:4”時(shí),此時(shí)的多余額外耦合系數(shù)kf1f2可忽略不計(jì)。

圖7 諧振線圈設(shè)計(jì)與優(yōu)化流程圖

圖8 諧振線圈的兩種放置方式

此外,文中為了驗(yàn)證所提出的集成線圈方法的無(wú)線充電系統(tǒng)是最緊湊的,也對(duì)鐵氧體磁芯和空芯類型補(bǔ)償線圈進(jìn)行了仿真研究。文中對(duì)不同類型的補(bǔ)償線圈進(jìn)行仿真,得到所需的電感值,并將其體積進(jìn)行比較,如表1所示,空心線圈占據(jù)最大空間,鐵氧體磁芯線圈較少,集成線圈最少。此外,集成線圈相對(duì)于鐵氧體磁芯線圈還有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):由于集成線圈是平面的,更容易包裝; 從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看,采用集成線圈的每個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)相對(duì)于鐵氧體磁芯線圈會(huì)節(jié)省將近400元。

表1 各種線圈體積

3 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證新型耦合結(jié)構(gòu)的可行性與優(yōu)越性,搭建無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)如表2所示。其中無(wú)線充電系統(tǒng)的每一側(cè)的主線圈、補(bǔ)償線圈和鐵氧體板都單獨(dú)放置在有機(jī)玻璃板中,這樣做能夠確保它們得到足夠的絕緣,確保實(shí)驗(yàn)得到可靠的數(shù)據(jù)。

表2 無(wú)線充電系統(tǒng)的基本參數(shù)

將測(cè)得的電路參數(shù)與相應(yīng)的仿真值進(jìn)行了比較,如表3所示。

表3 電路參數(shù)仿真值和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與仿真值非常接近,在誤差范圍之內(nèi)。其中文中研究?jī)蓚?cè)線圈偏移情況的方法與文獻(xiàn)[13]中研究的方法一致,分別測(cè)量了在一次側(cè)與二次側(cè)完全對(duì)準(zhǔn)和四種不對(duì)準(zhǔn)情況下的耦合系數(shù),這四種不對(duì)準(zhǔn)的情況是指未對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)只發(fā)生在一個(gè)方向上。比如,當(dāng)X方向上的未對(duì)準(zhǔn)為100 mm時(shí),此時(shí)Y方向和Z方向上是完全對(duì)準(zhǔn)。測(cè)量的電感值如表4所示,系統(tǒng)兩側(cè)的主電感與諧振電感都基本保持不變;系統(tǒng)中耦合系數(shù)的數(shù)據(jù)如表5所示,當(dāng)產(chǎn)生水平偏差或垂直偏差時(shí),多余的耦合系數(shù)都小于0.01,可忽略不計(jì)。

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

表5 系統(tǒng)中耦合系數(shù)

當(dāng)一次線圈和二次線圈結(jié)構(gòu)完全對(duì)齊時(shí)的波形圖如圖9所示,輸入的交流電流if1與輸入的交流電壓vac基本同步,相位差小,諧振電路實(shí)現(xiàn)了原邊逆變器軟開(kāi)關(guān)。

圖9 最大功率下兩側(cè)線圈完全對(duì)齊時(shí)波形圖

當(dāng)兩側(cè)線圈完全對(duì)齊或未對(duì)齊時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 輸出功率與效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)兩側(cè)線圈完全對(duì)齊,無(wú)線充電系統(tǒng)的輸出功率為3.15 kW時(shí),此時(shí)系統(tǒng)的傳輸效率可以達(dá)到95.5%。當(dāng)兩側(cè)線圈水平或垂直方向產(chǎn)生偏移時(shí),主耦合系數(shù)k減小,其他參數(shù)基本保持不變,幾乎沒(méi)有其它多余額外耦合系數(shù)。

因此,采用該集成線圈的無(wú)線充電系統(tǒng)可以消除或最小化減小多余額外耦合系數(shù),此時(shí)的無(wú)線充電系統(tǒng)更加緊湊,并且無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率更高了。

4 比較

文獻(xiàn)[13]和文中都是基于雙邊LCC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線充電系統(tǒng)所給出了兩種集成線圈方法,分別為將單極性諧振線圈集成到雙極性主線圈(IB法)和將雙極性諧振線圈集成到單極性主線圈(IU法)。功率與傳輸效率是無(wú)線充電系統(tǒng)性能比較的兩個(gè)重要指標(biāo)。圖11～圖14分別顯示了采用該兩種集成線圈方法的無(wú)線充電系統(tǒng)在兩側(cè)線圈完全對(duì)齊、門對(duì)門方向偏移100 mm、前后方向偏移100 mm、垂直方向偏移50 mm時(shí)性能的比較。

圖11 完全對(duì)齊時(shí)兩種方法的比較

圖12 門對(duì)門方向偏移100 mm時(shí)兩種方法的比較

圖13 前后方向偏移100 mm時(shí)兩種方法的比較

圖14 垂直方向偏移50 mm時(shí)兩種方法的比較

當(dāng)無(wú)線充電系統(tǒng)提供相同的輸出功率時(shí),兩側(cè)線圈在完全對(duì)齊或門對(duì)門方向偏移100 mm時(shí),此時(shí)采用這兩種集成線圈方法的無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率幾乎相同。但是,當(dāng)兩側(cè)線圈的前后偏移100 mm或垂直方向偏移50 mm時(shí),采用文中設(shè)計(jì)的集成線圈方法的無(wú)線充電系統(tǒng)具有更高的傳輸效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了一種新型的電動(dòng)無(wú)線充電集成線圈的方法,它能夠有效消除了因集成線圈而產(chǎn)生的多余的額外耦合系數(shù)。該方法可以使電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)更加的緊湊化,并且還提高了系統(tǒng)的傳輸效率。通過(guò)仿真分析研究系統(tǒng)兩側(cè)補(bǔ)償線圈的長(zhǎng)寬比,來(lái)最大程度地消除系統(tǒng)中多余的額外耦合系數(shù)。此外,搭建了無(wú)線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)在150 mm的氣隙、 3.15 kW的輸出功率,兩側(cè)線圈完全對(duì)齊時(shí),傳輸效率可以達(dá)到95.5%。文中還與文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了比較分析,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)電動(dòng)汽車一次側(cè)與二次側(cè)在水平或垂直方向上產(chǎn)生偏移時(shí),采用文中設(shè)計(jì)的集成線圈方法的無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率更高。