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

(中國計量學院 機電工程學院,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

(中國計量學院 機電工程學院,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,仿真結果驗證了方案設計的有效性.

電動汽車;無線供電;諧振;PWM整流

隨著低碳經(jīng)濟的不斷推進,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因其供電過程中具有的安全、可靠及傳輸距離遠等特點而成為了電動汽車領域的研究熱點[2].

諧振式無線供電技術通過發(fā)射電路及接收電路發(fā)生諧振實現(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)的漂移導致諧振頻率的不穩(wěn)定,進而影響整個系統(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現(xiàn)初次級電路的信息交換;后者基于電感調節(jié)和電容調節(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諧容易引入嚴重的電流畸變,電容陣列則存在調諧范圍和調諧精度的矛盾.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現(xiàn)直流輸出,但這會導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載的變化而變化,因此需要增加電壓調節(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)能很好地補償諧振網(wǎng)絡參數(shù)的漂移,在傳輸距離變化時能維持負載兩端電壓穩(wěn)定并實現(xiàn)恒功率輸出,同時能實現(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,同時將分析結果與現(xiàn)有二極管整流系統(tǒng)的性能相比較,驗證了所提方案的優(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和初級諧振補償電容C1構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構成的全橋整流電路和穩(wěn)壓電容C,向負載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)壓電路及直流負載等效為交流負載RL=8Rload/π2[11].當系統(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,負載接收的功率為

(1)

圖2所示為諧振式無線供電系統(tǒng)負載接收功率與負載和互感的關系圖.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,每個互感都對應著一個匹配電阻使得負載接收功率最大,由式(1)可得：

(2)

(3)

式(2)(3)中，Pmax—負載最大接收功率;Rmax—負載匹配電阻.可見,當恒功率輸出條件下負載功率小于最大接收功率Pmax時,總有一對互感及負載電阻滿足系統(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,會導致負載接收功率下降,并且輸出直流電壓udc(t)不穩(wěn)定.

圖2 負載接收功率P與負載RL和互感M的關系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

為了改進圖1電路的缺點,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整流器的開關函數(shù),uAB(t)—PWM整流器交流側電壓.諧振穩(wěn)態(tài)條件下,僅考慮基波分量時,次級感應電壓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 次級交流側矢量關系圖Figure 4 Vector diagram of second AC side

2.2 控制方法

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

PWM整流器交流側指令電壓為

(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)到整流器直流側輸出電流idc(t)是一個調制過程,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)控制結構圖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系.

如圖7(a)和圖7(b),同軸平行兩線圈關于Y軸對稱,中心水平偏移平行兩線圈關于XOY面對稱,因此為減小生成的單元和節(jié)點,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系曲線如圖8(a)和圖8(b).由仿真結果可知,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

為驗證設計方案的有效性,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載為同軸平行兩線圈相距30 cm時的匹配負載,PWM整流方案中直流負載為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電壓與次級交流側電流波形,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為互感變化時負載接收功率關系圖,圖中Pmin、Pmax分別為圖2中負載接收的最小和最大功率曲線,P和Pdiode分別為固定30 cm最佳負載時,理論計算和二極管整流方案負載接收功率曲線;PPWM為本文所提方案負載接收功率曲線.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載接收功率存在極大值,與理論分析負載接收功率趨勢保持一致,但二極管整流方案負載接收功率普遍低于理論值,這是因為二極管整流電路中次級交流側電流畸變嚴重,導致功率因數(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,直流負載變化時輸出直流電壓曲線.由圖11可知,直流負載增大時,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 負載接收功率P與互感M關系圖Figure 10 Relationship between mutual inductance and load reception power

圖11 直流輸出電壓Udc與負載電阻RL關系圖Figure 11 Relationship between output DC voltage and load

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

4 結 語

本文在磁耦合諧振原理的基礎上,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)運行及次級保持恒壓輸出的工作原理,并結合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行了仿真研究.仿真結果表明,在線圈相對位置發(fā)生變化時,該系統(tǒng)能夠自動調諧并維持恒壓輸出,且具有諧波含量低、電流畸變小、抗負載擾動等優(yōu)點,從而驗證了系統(tǒng)設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方案.

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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 《中國計量學院學報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TM724

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