電動(dòng)汽車無(wú)線充電四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞谋容^

汪世嬌，馬小三

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

無(wú)線充電利用電磁場(chǎng)作為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電能傳輸，具有無(wú)火花、無(wú)觸電危險(xiǎn)和無(wú)機(jī)械損耗，且能適應(yīng)惡劣環(huán)境等特點(diǎn)[1-2]. 因此，無(wú)線充電技術(shù)更環(huán)保、更安全、更可靠、更智能[3]. 近年來(lái)，無(wú)線充電技術(shù)不僅應(yīng)用于智能手機(jī)和筆記本電腦，而且還應(yīng)用于便攜式消費(fèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域[4-5]，因此對(duì)于無(wú)線充電技術(shù)的研究具有重大意義. 本文旨在分析四種基本補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出功率、傳輸效率、電壓增益與頻率、耦合系數(shù)和負(fù)載之間的關(guān)系，并通過(guò)MATLAB/Simulink 軟件對(duì)其特性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最終得出最優(yōu)補(bǔ)償拓?fù)?

1 電磁耦合系統(tǒng)理論分析

圖1為WPT 系統(tǒng)的主電路.圖中，Udc為直流輸入電源；Q1～Q4為高頻逆變器的四個(gè)MOS 管；L1、L2和C1、C2分別為原副邊的電感和電容；D1～D4為全橋整流器的四個(gè)二極管；C為濾波電容；RL為負(fù)載電阻.

圖1 WPT系統(tǒng)主電路Fig.1 Main circuit of WPT system

WPT 系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈之間存在較大的氣隙[6]，從而漏感增加，互感減小，降低兩線圈之間的功率傳輸能力[7].因此，WPT系統(tǒng)的原副邊均需要添加補(bǔ)償電容，形成SS型、SP 型、PS 型、PP 型四種基本補(bǔ)償[8-9]，圖2 為四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞牡刃щ娐?

圖2 四種基本補(bǔ)償拓?fù)潆娐稦ig.2 Four basic compensation topological circuits

在圖2 中，Uin是逆變器的輸出；R1、R2分別為原副邊線圈內(nèi)阻；M為兩線圈互感；k表示線圈的松緊程度；Req為負(fù)載電阻RL的交流等效負(fù)載電阻[10]；k和Req的表達(dá)式分別為：

以SS 補(bǔ)償拓?fù)潆娐窞槔M(jìn)行分析，并假設(shè)電路處于諧振狀態(tài)，采用電路模型描述系統(tǒng)特性[11].發(fā)射線圈的自阻抗Z1SS為：

接收線圈的自阻抗Z2SS為：

根據(jù)基爾霍夫定律（KVL），圖2（a）的回路方程為：

對(duì)公式（5）進(jìn)行化簡(jiǎn)可得原副邊電流i1SS和i2SS為：

諧振電路的輸入功率PinSS為：

諧振電路的輸出功率PoutSS：

則諧振電路的傳輸效率ηSS為：

同理可以推導(dǎo)出SP、PS 和PP 補(bǔ)償拓?fù)潆娐返妮敵龉β屎蛡鬏斝?

2 輸出功率和傳輸效率分析

由上節(jié)分析可知，系統(tǒng)的輸出功率和傳輸效率都與互感有關(guān). 圖3 是四種基本補(bǔ)償拓?fù)潆娐返妮敵龉β屎蛡鬏斝逝c互感的特性曲線，由圖3 可見(jiàn)，SS型和SP型在輸出功率達(dá)到最大時(shí)，傳輸效率均在0.5 左右；PS 和PP 補(bǔ)償拓?fù)湓谧畲筝敵龉β实那闆r下，傳輸效率可達(dá)0.8以上.

圖3 四種基本補(bǔ)償拓?fù)漭敵龊团cM的特性曲線Fig.3 Four basic compensation topological output and characteristic curves with M

WPT 系統(tǒng)傳輸效率受多方面因素的影響[12]. 其中影響傳輸效率最主要的因素有耦合系數(shù)k、負(fù)載電阻RL和工作頻率fs[13]. 由于k、RL、fs均為變量，因此采用控制變量法對(duì)電路進(jìn)行分析.

2.1 傳輸效率與耦合系數(shù)k的關(guān)系

取RL= 20 Ω，k分別取0.15、0.25、0.35、0.45、0.55. 由MATLAB 分別繪制出四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞膫鬏斝逝ck之間的關(guān)系如圖4所示.

由圖4可知，當(dāng)fs一定時(shí)，四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞膫鬏斝示S著k值增大而增大；當(dāng)k一定時(shí)，只有SS 型的傳輸效率隨著fs增大而增大，且傳輸效率達(dá)到一定值時(shí)將不隨fs變化而變化，其余三種基本拓?fù)潆Sfs有增有減，波動(dòng)較大. 對(duì)比可知，SS 型和SP型效率較高，在fs為80 kHz 左右時(shí)，傳輸效率基本都在0.8以上.

圖4 四種基本補(bǔ)償拓?fù)鋫鬏斝逝ck的曲線Fig.4 Four basic compensation topological transmission efficiency and k curves

2.2 傳輸效率與負(fù)載電阻RL的關(guān)系

取k=0.25，RL分別取10 Ω、20 Ω、30 Ω、50 Ω、70 Ω. 通過(guò)MATLAB 繪制出四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞膫鬏斝逝cRL的關(guān)系（圖5）.

由圖5可知，當(dāng)fs一定時(shí)，SS型和PS型的傳輸效率均隨RL增大而減小；SP 型的傳輸效率隨RL增大而減?。籔P型隨RL有增有減.

綜上所述，SS 型和SP 型波動(dòng)較小，且傳輸效率比較高.

圖5 四種基本補(bǔ)償拓?fù)鋫鬏斝逝cRL的曲線Fig.5 Four basic compensation topological transmissionefficiency and RL curves

3 電壓增益分析

為了更好地分析四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞奶匦?，?duì)其電壓增益進(jìn)行研究，其中k和RL的取值與上文相同.

3.1 電壓增益與耦合系數(shù)k的關(guān)系

當(dāng)原副邊的電感和電容一經(jīng)確定，電壓增益就受k、RL和fs三個(gè)變量的影響. 因此，采用控制變量法進(jìn)行研究. 圖6 為四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞碾妷涸鲆媾ck的特性曲線.

圖6 四種基本補(bǔ)償拓?fù)潆妷涸鲆媾ck的曲線Fig.6 Four basic compensation topological voltage gain and k curves

從圖6 可以看出，k一定時(shí)，四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞碾妷涸鲆婢S著fs先增后減；在fs= 80 kHz 處，SS型和PS型的電壓增益最大.

3.2 電壓增益與負(fù)載電阻RL的關(guān)系

四種基本補(bǔ)償拓?fù)涞碾妷涸鲆媾cRL的關(guān)系如圖7所示. 從圖7可以看出，當(dāng)fs一定時(shí)，SS型、SP型和SP 型均隨著RL增加而增加，PP 型是隨著RL增加而減小.SS型在fs為72 kHz和92 kHz處的電壓增益恒為1，且不隨k變化而變化.

圖7 四種基本補(bǔ)償拓?fù)潆妷涸鲆媾cRL的曲線Fig.7 Four basic compensation topological voltage gains and RL curves

4 結(jié)語(yǔ)

WPT 技術(shù)是解決環(huán)境污染的新型技術(shù). 但是WPT 技術(shù)使用的是松耦合變壓器，需要補(bǔ)償電路來(lái)減少漏感和激磁電感. 對(duì)于無(wú)線充電系統(tǒng)的四種基本補(bǔ)償拓?fù)?，SS 型要比其它三種拓?fù)浜?jiǎn)單得多且更適合于實(shí)際應(yīng)用. 與SS 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，SP 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合于負(fù)載電阻較大的系統(tǒng)，因?yàn)樗梢栽谥剌d條件下保持較高的效率. 然而，SS 型能夠承受較大的頻率波動(dòng)，同時(shí)保持高效率. 在實(shí)際應(yīng)用中，PS型和PP 型使用較少，由于它們的傳輸效率、電壓增益均比SS型和SP型要低，且波動(dòng)較大.因此SS型在四種基本補(bǔ)償拓?fù)渲袨樽顑?yōu)補(bǔ)償拓?fù)?