基于Saber仿真下電動車無線充電技術(shù)的應(yīng)用分析

安寧寧，張效蘂，王錄陽，魏文亮，張新國

（1.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司國際工程分公司，天津 300450；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆 庫爾勒 841000）

本文以新形勢下需求為出發(fā)點，著重對新能源電動汽車無線充電技術(shù)進行了研究。在仿真軟件下，根據(jù)SS補償參數(shù)計算，在改變不同電路參數(shù)情況下對無線充電技術(shù)的建模進行推導(dǎo)，驗證所搭建模型的正確性和可實施性。展望了該項技術(shù)在新能源電動車無線充電領(lǐng)域的發(fā)展前景，同時也提出該項技術(shù)亟待解決的問題。

1 無線充電諧振模型

磁耦合式無線能量傳輸?shù)膬蓚€線圈的耦合系數(shù)非常低，漏電感值變大，不利于無線充電系統(tǒng)的正常工作。為了提升系統(tǒng)的充電功率和工作效率，通常采用電容在發(fā)射線圈和接收線圈進行無功補償，使兩個線圈工作在諧振狀態(tài)。這樣，電網(wǎng)只要提供所需的有功功率，就可提高系統(tǒng)的輸出功率，增大傳輸效率。無線充電諧振模型圖如圖1所示。

圖1 無線充電諧振模型圖

圖中，Us為恒壓源，Im為恒流源，CS為一次側(cè)諧振電容，CR為二次側(cè)諧振電容，LS為發(fā)射線圈，LR為接收線圈，ML為互感，RS為一次側(cè)線圈的內(nèi)阻，RR1為二次側(cè)線圈的內(nèi)阻，IP為一次側(cè)閉合電路的電流，IS為二次側(cè)充電過程中的電流，RL為負載。

假設(shè)電壓源US的工作頻率為ω，則一次側(cè)閉合電路的等值阻抗為

二次側(cè)充電回路的等值阻抗為

耦合阻抗為

諧振模型的基爾霍夫電壓方程為

諧振模型的輸出電壓為

為深化公司精準(zhǔn)培訓(xùn)工作，公司團委制定了《以導(dǎo)師帶徒為抓手，深化精準(zhǔn)培訓(xùn)工作方案》?！坝械那喙らL期在一個崗位上工作，職責(zé)內(nèi)的工作都能扛起來。但是他們在工作中是否還有更高的需求，是否還存在短板？需要我們?nèi)嵉卣{(diào)研掌握。”齊魯石化烯烴廠團委副書記李曉杰剛剛從車間調(diào)研回來，發(fā)出這樣的感慨。

一次側(cè)輸入功率為

二次側(cè)輸出功率為

根據(jù)上面公式可知，兩側(cè)功率與電源的工作頻率關(guān)系密切。當(dāng)輸入電源的工作頻率和諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率接近時，功率和效率達到最大值，充電系統(tǒng)頻率與無線傳輸頻率曲線圖如圖2所示。在無線充電過程中，必須保證充電系統(tǒng)的頻率與無線傳輸?shù)念l率一致。

圖2 充電系統(tǒng)頻率與無線傳輸頻率曲線圖

當(dāng)系統(tǒng)接入負載后，最低輸出電壓保證最低值，電流限制在一定值內(nèi)，功率限定在合理范圍內(nèi)。可以看出，傳輸網(wǎng)絡(luò)一次側(cè)的電容與電源頻率和一次側(cè)線圈的電感特性有關(guān)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，適用于大中型系統(tǒng)間的功率傳遞。

2 SS傳輸網(wǎng)絡(luò)能量策略研究

2.1 SS諧振結(jié)構(gòu)模型驗證

本小節(jié)根據(jù)上一節(jié)模型計算公式的結(jié)果、軟件仿真值和試驗數(shù)值，逐一證實了一次側(cè)輸入電流和電感值；并得出二次側(cè)輸出電流和電感值，通過對兩者之間得出的結(jié)果對比，證實了傳輸網(wǎng)絡(luò)的正確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)參數(shù)：假定系統(tǒng)的工作頻率f＝65Hz，一次側(cè)線圈電感值 LS＝70μH，一次側(cè)線圈阻抗 RS＝0.6Ω，二次側(cè)線圈的電感值 LR＝70μH，二次側(cè)線圈阻抗 RR1＝0.6Ω，負載電抗 RL＝0.6Ω，模型諧振電容的計算公式為

通過調(diào)節(jié)一、二次側(cè)線圈的距離來調(diào)整兩者之間的互感量。通過電工軟件進行理論數(shù)據(jù)的初步計算。軟件計算數(shù)據(jù)表如表1所示。系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)表如表2所示。

表1 軟件計算數(shù)據(jù)表

表2 系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)表1和表2的數(shù)據(jù)，可畫出相應(yīng)的曲線圖。定義x軸為互感M（μH），縱軸為一、二次側(cè)的電流和功率。輸出電流與互感關(guān)系圖如圖3所示。輸出功率與電流關(guān)系圖如圖4所示。

圖3 輸出電流與互感關(guān)系圖

圖4 輸出功率與電流關(guān)系圖

2.2 SS傳輸結(jié)構(gòu)頻率特性分析

從前面解析可知，傳輸系統(tǒng)工作在諧振工作點時，系統(tǒng)的功率和效率趨近于最大值，但是二次側(cè)負載發(fā)生變化，此時系統(tǒng)的頻率會發(fā)生畸變，在分析時為了方便，設(shè)定一次側(cè)和二次側(cè)的參數(shù)是相等的，根據(jù)電工學(xué)公式，當(dāng)IS（ZS）＝0時，可得

式中的系數(shù)k由互感和電感的比值得到。將公式等效為二次函數(shù)，當(dāng) b2－2ac＞0，此時函數(shù)有兩個實數(shù)解，此時ω數(shù)值不確定，就會出現(xiàn)系統(tǒng)頻率畸變的現(xiàn)象，當(dāng)b2－2ac＝0時，函數(shù)會產(chǎn)生一個臨界值

由上述公式解析可得出結(jié)論：在傳輸系統(tǒng)參數(shù)一定的情況下，無線充電系統(tǒng)會出現(xiàn)頻率畸變現(xiàn)象，引起畸變的因素和一、二次側(cè)線圈阻尼系數(shù)ζ存在著一定聯(lián)系，阻尼系數(shù)越小，傳輸系統(tǒng)畸變現(xiàn)象越明顯。

3 軟件Saber仿真及試驗結(jié)果

Saber廣泛用于電源變換器設(shè)計、電路仿真和伺服系統(tǒng)設(shè)計、多技術(shù)仿真工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計等多領(lǐng)域，兼容模擬、數(shù)字、控制量混合仿真。6.6kW串串SS補償模型仿真電路如圖5所示。

圖5 6.6kW串串SS補償模型仿真電路

圖6 接收端在輸出電壓371V時的功率波形圖

圖7 測試平臺逆變器輸出電流波形圖

圖8 接收端在不同參數(shù)下的功率波形圖

從上面圖形可以看出，隨著負載電阻的增大，網(wǎng)絡(luò)感性也增強，這與電池充電過程相吻合。

4 結(jié)論

本文對磁耦合式無線能量傳輸系統(tǒng)的基本原理進行了討論，對仿真模型中相關(guān)參數(shù)進行了數(shù)學(xué)計算，在軟件條件下對SS諧振結(jié)構(gòu)模型的能量傳輸做了詳細數(shù)據(jù)分析和結(jié)果論證，并在一臺恒流輸出控制試驗系統(tǒng)中對其數(shù)學(xué)推導(dǎo)的理論數(shù)據(jù)做了進一步的實驗驗證，實現(xiàn)了電動汽車無線充電技術(shù)的應(yīng)用推廣，充電效率可達85%。但是該研究成果還需要更進一步的完善和優(yōu)化，比如一、二次側(cè)線圈的材料選型、制作工藝等都會影響到系統(tǒng)的熱損耗，這也將是以后科研攻關(guān)的重點突破方向。