基于半橋式發(fā)送器的車載無線充電研究

浦金歡

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司， 上海 200041)

0 引言

無線電力傳輸(wireless power transfer，WPT)技術(shù)逐漸在電動(dòng)汽車充電中獲得應(yīng)用[1]。無線電力傳輸技術(shù)主要分為五種類別：聲波無線充電、微波式無線充電、激光式無線充電、磁感應(yīng)式無線充電、磁諧振式無線充電和電場式無線充電[1, 2]?？梢钥吹剑瑹o線電力傳輸?shù)慕橘|(zhì)分別是電磁場(微波、激光)、磁場和電場。由于電動(dòng)汽車無線充電對電力傳輸距離要求不高，因此基于磁場和電場的無線充電方式比較適合電動(dòng)汽車應(yīng)用。這其中，磁諧振式無線充電方式研究較多。

磁諧振式無線電力傳輸?shù)南嚓P(guān)理論由文獻(xiàn)[3]首次提出并驗(yàn)證，磁諧振式無線充電技術(shù)可以在諧振頻率處可以獲得最大的效率和傳輸功率。因此磁諧振式無線充電技術(shù)需要使逆變器的開關(guān)頻率工作于諧振頻率附近。另外由于在無線充電的應(yīng)用條件下，無線充電器的收發(fā)線圈等效于一個(gè)松耦合變壓器，其漏電感是遠(yuǎn)大于磁化電感的，因此需要引入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來消除漏電感的影響。當(dāng)前無線充電器線圈補(bǔ)償電路主要有單電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(包含串聯(lián)-串聯(lián)型、串聯(lián)-并聯(lián)型、并聯(lián)-串聯(lián)型、并聯(lián)-并聯(lián)型)、串聯(lián)-并聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、LCLC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[1, 2, 4]。這些補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，但電容補(bǔ)償最常用且結(jié)構(gòu)簡單，串聯(lián)-并聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以維持恒功率輸出，LCL和LCLC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以有效提高無線充電器的效率。

本文對使用半橋式逆變器的無線充電器進(jìn)行了研究，該無線充電器使用串聯(lián)型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過數(shù)學(xué)分析，仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該種無線充電器能夠?qū)崿F(xiàn)電力的無線傳輸，具有一定的可行性。

1 無線充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

使用半橋式逆變器作為發(fā)射端，則可以得到如圖1所示的無線充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中發(fā)射端使用半橋式逆變器，輸出端使用全橋整流器。收發(fā)線圈使用串聯(lián)-串聯(lián)型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(S-S型)。相比于使用全橋逆變器的無線充電器，該結(jié)構(gòu)使用開關(guān)管較少，只有兩個(gè)開關(guān)管(S1和S2)。逆變得到的交流電壓幅值降低了，只有全橋逆變器的一半。但該結(jié)構(gòu)控制簡單，開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)和輔助電路也少，適合于中低功率的無線充電場合應(yīng)用。

圖1 無線充電器結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of wireless charger

將圖1中的發(fā)射和接受線圈等效于松耦合的變壓器，則可以將其簡化為補(bǔ)償電容、漏電感、磁環(huán)電感和理想變壓器的組合。由于無線充電中一般會使收發(fā)線圈的參數(shù)相一致，因此理想變壓器的變比就是1:1。此時(shí)可以得到T型等效圖，如圖2所示。圖2中Lm是磁化電感且Lm=M(耦合電感)，Lp是發(fā)射線圈漏電感且Lp=L1-M，Ls是接收線圈漏電感Ls=L2-M。L1和L2分別是發(fā)射和接收線圈的電感值，Cp和Cs分別是發(fā)射和接收線圈補(bǔ)償電容，u1和u2分別是輸入和輸出電壓，i1和i2分別是輸入和輸出電流，im為磁化電流，im=i1-i2。對于一般的緊耦合變壓器，漏電感很小(Lp和Ls)，但在無線充電器中，由于耦合系數(shù)k很小，因此磁化電感會比漏感小的多。因此使用補(bǔ)償電容可以在諧振頻率下完全補(bǔ)償漏電感，使收發(fā)線圈呈現(xiàn)純阻性。

圖2 無線充電器等效電路

2 諧振式無線充電原理

根據(jù)圖2中的T型等效電路，可以列寫無線充電器的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)基爾霍夫定律，可得：

(1)

將該方程消去i1，可以得到

(2)

假設(shè)負(fù)載為純阻性，則顯然i2=u2/R。此時(shí)對(2)兩邊同時(shí)取拉普拉斯變換，可以得到無線充電器輸入電壓和輸出電壓的傳遞函數(shù)

(3)

為了對無線充電器的性能進(jìn)行分析，假設(shè)一種無線充電場景，此時(shí)參數(shù)如下：Lm=2 μH，Lp=100 μH，Ls=100 μH，Cp=Cs= 0.15 μF，R=2 Ω。由這些參數(shù)計(jì)算可得，補(bǔ)償全部電感的頻率是40.68 kHz(以下稱為第一諧振頻率)，補(bǔ)償漏電感的頻率是41.09 kHz (以下稱為第二諧振頻率)。繪制該系統(tǒng)增益隨頻率變化的曲線，如圖3所示?？梢钥吹剑到y(tǒng)在第一諧振頻率處獲得了最大增益，達(dá)到3.19。第二諧振頻率處的增益約為1。遠(yuǎn)離第一諧振頻率時(shí)，增益都隨之快速下降。

圖3 峰值增益隨頻率變化曲線

繪制第一諧振頻率處最大增益隨負(fù)載變化的曲線，如圖4所示?？梢钥吹诫S著負(fù)載的增大，峰值增益也隨之不斷變大，可以看到第一諧振頻率時(shí)負(fù)載對增益也有很大影響。

圖4 峰值增益隨負(fù)載變化曲線

當(dāng)系統(tǒng)工作于第二諧振頻率時(shí)，

(4)

將其代入傳遞函數(shù)(3)中，可以計(jì)算得到傳遞函數(shù)為常數(shù)1，與負(fù)載的大小無關(guān)。雖然第一諧振頻率可以獲得最大的增益，但由于其增益受負(fù)載影響較大，且其發(fā)射端電流過大，因此一般無線充電器工作于第二諧振頻率。

3 仿真研究

3.1 仿真模型

實(shí)際中，無論使用全橋逆變器或是圖1中的半橋逆變器所輸出的電壓均是方波。因此為了進(jìn)一步分析無線充電器的性能，使用PSIM軟件建立仿真模型，對方波下充電器的特性進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖5所示，仿真參數(shù)與第二節(jié)分析中的參數(shù)一致。

圖5 仿真模型

3.2 仿真測試

下面分別從不同頻率和不同負(fù)載的方面對半橋式充電器進(jìn)行研究。圖6顯示了負(fù)載一定時(shí)，不同頻率下無線充電器的輸入輸出交流電壓的波形?？梢钥吹剑c第二節(jié)中的分析一致，輸出電壓的增益在第一諧振頻率處取得了最大值。同時(shí)可以看到，在第一諧振頻率處和高于該頻率時(shí)，半橋式逆變器的兩個(gè)開關(guān)管均可以獲得軟開關(guān)狀態(tài)。圖7顯示了第二諧振頻率時(shí)，不同負(fù)載值時(shí)無線充電器收發(fā)線圈中的電壓和電流波形?？梢钥吹酱藭r(shí)發(fā)射端和接收端電壓同相位。接收端電壓不受負(fù)載的影響。在實(shí)際應(yīng)用于，整流器的一側(cè)通常會并聯(lián)輸出電容，以獲得比較穩(wěn)定的直流電壓，因此在實(shí)際中負(fù)載會是并聯(lián)RC型的負(fù)載。因此圖8顯示了在第二諧振頻率時(shí)，純阻性的負(fù)載和并聯(lián)RC型的負(fù)載的電壓和電流波形?？梢钥吹讲⒙?lián)RC負(fù)載使輸入電壓波形由正弦波變?yōu)榱朔讲ā?/p>

圖6 不同頻率下的仿真結(jié)果

圖7 不同負(fù)載下的仿真結(jié)果

圖8 不同負(fù)載類型下的仿真結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

本節(jié)建立了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證半橋式無線充電器的可行性。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)線圈的參數(shù)為L1=L2=8 μH,Lm=2 μH,Cp=Cs=1.2 μF。收發(fā)線圈距離L=3.2 cm，線圈外徑R=6.5 cm，內(nèi)徑r=3.3 cm，逆變側(cè)直流電壓為30 V，樣機(jī)配置如圖9所示。計(jì)算可得第二諧振頻率約為59.3 kHz。由于在該頻率時(shí)，發(fā)射端電流過大，因此該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)運(yùn)行于高于該頻率的開關(guān)頻率。

圖9 半橋式無線充電機(jī)

4.2 實(shí)驗(yàn)測試

圖10是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在約60.4 kHz頻率下收發(fā)線圈的電壓和電流測量結(jié)果?？梢钥吹皆摌訖C(jī)在發(fā)射端可以生成峰峰值為30 V的方波電壓和峰峰值超過30A發(fā)射電流。接收端獲得了峰峰值為7 V左右的方波電壓和峰峰值為4 A左右的接收電流。由于發(fā)射電流過大，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)無法運(yùn)行于第一和第二諧振頻率下，因此接收側(cè)的電壓和電流均未達(dá)到最大值。圖11是使用無線充電機(jī)點(diǎn)亮LED的實(shí)驗(yàn)，可以看到無線充電機(jī)可以成功點(diǎn)亮LED。

圖10 實(shí)驗(yàn)測量波形

圖11 LED點(diǎn)亮實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

本文對使用半橋式逆變器和串聯(lián)-串聯(lián)單電容補(bǔ)償線圈的無線充電器進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。建立了無線充電器發(fā)射電壓和輸出電壓的傳遞函數(shù)，使用PSIM軟件分別對不同頻率、不同負(fù)載值和不同負(fù)載類型的情況進(jìn)行了仿真測試和分析。最后建立了一個(gè)小型樣機(jī)來驗(yàn)證該無線充電器的可行性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該無線充電器具備一定的可行性。