電動汽車移動式無線供電系統(tǒng)建模與仿真

周立博

電動汽車移動式無線供電系統(tǒng)建模與仿真

周立博

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

為解決電動汽車采用靜態(tài)無線充電方式時充電頻繁、續(xù)航里程短的問題，設計了電動汽車移動式無線供電系統(tǒng)，并建模仿真。首先設計了一種多逆變器并聯(lián)的逆變電路，以滿足供電系統(tǒng)對大功率的需求；其次采用雙邊LCC補償拓撲，并對其進行T變換后完成計算分析。最后設計了雙初級繞組并聯(lián)的無線供電系統(tǒng)和單初級繞組無線供電系統(tǒng)，使用MATLAB/Simulink完成模型搭建和仿真。仿真分析表明，與單初級繞組無線供電系統(tǒng)相比，雙初級繞組并聯(lián)的無線供電系統(tǒng)具有更高的傳輸功率和效率。

電動汽車；移動式無線供電；多路逆變器；雙邊LCC補償拓撲

電動汽車以其清潔、無污染的獨特優(yōu)勢在世界范圍內受到廣泛關注。但由于受車載電池容量和充電設施等因素的影響，電動汽車的充電問題已成為其發(fā)展和普及的主要限制之一。較為常用的插電式充電只能為一輛車充電，而無線供電概念的提出，為車載電池容量有限的問題提供了另一種解決方案。根據(jù)充電過程中發(fā)射端和接收端的位置是否發(fā)生相對變化，可將無線供電系統(tǒng)分為靜態(tài)無線供電系統(tǒng)和移動式（動態(tài)）無線供電系統(tǒng)兩種。靜態(tài)無線供電存在充電頻繁、續(xù)航里程短、電池容量小、成本大等限制，特別是對于電動公交車等續(xù)航要求較高的公交車輛，靜態(tài)無線供電技術難以應用。因此，在實際需求的驅動下，電動汽車移動式無線供電系統(tǒng)應運而生。移動式無線供電系統(tǒng)擴展了無線供電的概念，能夠對道路上行駛的電動汽車進行供電。本文的主要目的是設計一個合理的電動汽車移動式無線供電系統(tǒng)。為此，建立了單初級繞組無線供電系統(tǒng)和雙初級繞組并聯(lián)的無線供電系統(tǒng)模型，并進行了仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)后者比前者具有更高的傳輸功率和效率。在逆變電路的設計上，本文設計的系統(tǒng)采用了多個逆變器并聯(lián)的逆變電路，與采用由單個逆變器組成的逆變電路的系統(tǒng)相比能夠滿足供電系統(tǒng)的大功率需求。此外，還采用了雙邊LCC補償拓撲，使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，系統(tǒng)原理如圖1所示[1]。

圖1 多初級移動式無線供電系統(tǒng)

無線供電系統(tǒng)的能量流動過程如下：供電網(wǎng)絡提供交流電，先通過整流環(huán)節(jié)，再通過高頻逆變器環(huán)節(jié)輸送到總線上，電流流入多個被開關控制的原邊補償電路中，在多個初級繞組周圍產(chǎn)生高頻交流磁場。根據(jù)電磁感應原理，副邊補償電路中的接收繞組也會感應出電壓，再通過多種電力變換環(huán)節(jié)為負載供電[1]。

1 系統(tǒng)概述

逆變電路是系統(tǒng)的重要組成部分，對系統(tǒng)的性能有著重要的影響。因此，正確合理的逆變電路設計是系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié)。它的工作方式是使初級側線圈發(fā)揮作用，將高頻交流電以磁場的形式傳遞給次級線圈。因此，所設計的逆變電路必須穩(wěn)定可靠，轉換效率高。電動汽車移動式無線供電系統(tǒng)的功率需求較大，系統(tǒng)應設計有足夠的功率傳輸能力和高效率的輸出變頻電路。大功率逆變器的設計是系統(tǒng)設計中的一個主要問題，但是單個金屬氧化物半導體場效應管（Metal- OxideSemiconductor Field Effect Transistor, MOSF- ET）、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）逆變器的容量不能滿足無線供電系統(tǒng)的大功率要求。本文在逆變電路的設計中，采用了并聯(lián)多臺逆變器的方法來提高功率[2]。

當無線供電系統(tǒng)的諧振頻率、位置、參數(shù)和負載發(fā)生變化時，其額定電流增大，傳輸效率降低。因此，諧振補償是系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的重要組成部分，為了使兩個線圈在合適的諧振頻率下工作，研究人員在系統(tǒng)中設計了補償拓撲。根據(jù)補償電容與電感線圈的連接方式將目前廣泛應用于無線供電系統(tǒng)的補償拓撲分為四種，即SS、SP、PS和PP[2]。其中S型表示串聯(lián)補償結構，P型表示并聯(lián)補償結構，以SS型為例，即原副邊的補償電容與電感線圈均為串聯(lián)。但是在實際應用中，電動汽車無線供電系統(tǒng)面臨著復雜的環(huán)境，這四種基本拓撲結構已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的實際要求。所以針對無線供電系統(tǒng)的復雜需求，又提出了兩種復合拓撲結構LCC和CLC[3-4]。其中本文用到的LCC型表示電感線圈先與補償電容并聯(lián)，構成的并聯(lián)結構再串聯(lián)一個補償電容。

圖2 雙初級繞組移動式無線供電系統(tǒng)的等效電路

本文建立的模型采用雙邊LCC補償拓撲結構。拓撲的主邊和次邊分別由一個電感和兩個電容組成。在該方法中，補償線圈的諧振頻率與耦合系數(shù)和負載條件無關。系統(tǒng)可以在恒定的頻率下工作，這簡化了控制并減少了帶寬使用。初級側和次級側變換器可以在整個耦合和負載條件下獲得接近的功率因數(shù)，整個無線供電系統(tǒng)的高效率需求易于實現(xiàn)。基于以上分析，得出了雙初級繞組移動式無線供電系統(tǒng)的等效電路，如圖2所示。

2 系統(tǒng)參數(shù)設計

用于電能傳輸?shù)臒o線供電系統(tǒng)一直處于諧振狀態(tài)，所以可以認為整個過程是由無數(shù)個靜態(tài)過程組成的，如果每個無窮小的時間的整個過程都處于諧振狀態(tài)，可以認為電動汽車充電過程中整個供電系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。為了方便分析，以單初級繞組無線供電系統(tǒng)為例。將具有多個發(fā)射端的雙邊LCC補償系統(tǒng)簡化為具有單初級繞組的雙邊LCC補償系統(tǒng)。對補償結構進行T型變換后，計算更加方便。等效后如圖3所示。

圖3 雙邊LCC T型等效電路

圖中的AB是逆變器輸出電壓的等效電壓信號，ab是整流器輸入電壓等效電壓。電路的參數(shù)會隨等效變換而發(fā)生變化，可以用以下公式求得次級側參數(shù)轉換到初級側的變化：

其中雙邊線圈的自感是1和2，線圈匝數(shù)比為，耦合系數(shù)為，為了區(qū)分方便，符號上帶有“'”的是次級側參數(shù)。根據(jù)上式就可以求得等效變換后的參數(shù)。

為了使變換后的雙邊能同時諧振，進行如下的設計：

如果將等效后的電路看成是一個拓撲結構，激勵就是AB和ab，接下來分別討論二者單獨作用時系統(tǒng)的工作情況，當其中一個作為激勵時，另一個就需要被短路。

當AB單獨起作用時，有

此時次級側就產(chǎn)生了并聯(lián)諧振，副邊斷路。令e1為系統(tǒng)等效負載。

考慮e1與m的關系可以發(fā)現(xiàn)二者與1p形成了一個并聯(lián)諧振，即

所以當UAB單獨起作用時，系統(tǒng)的原副邊都存在并聯(lián)諧振。此時電路的通斷情況如圖4所示。

接下來考慮ab，此時輸入端被短路。有s1·1p=1/02，所以此時初級側存在并聯(lián)諧振。將'e2視為等效負載，有

同時考慮勵磁電感m，可以發(fā)現(xiàn)二者和'2p在次級側形成了并聯(lián)諧振。

所以當ab單獨工作時，諧振情況與AB單獨工作時類似。電路的通斷情況如圖5所示。

圖5 Uab單獨工作時的電路通斷情況

通過分析可知，當輸入電壓與輸出電壓單獨工作時，系統(tǒng)的原副邊都存在穩(wěn)定的并聯(lián)諧振。所以由疊加原理可知，二者共同工作時，系統(tǒng)的原副邊也可以進行穩(wěn)定的并聯(lián)諧振，使無線供電系統(tǒng)供電過程始終處于諧振狀態(tài)。

基于以上分析，給定輸入電壓和雙邊電感后，系統(tǒng)參數(shù)設計如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

3 仿真結果分析

在完成參數(shù)設計的基礎上，利用MATLAB、Simulink對雙初級繞組移動式無線供電系統(tǒng)模型進行仿真[5]。圖6、圖7為仿真結果。

圖6 次級側電流和電壓在一段時間內的變化

圖7 逆變器的輸入電壓和電流

圖6為次級側電流電壓變化情況，逆變器輸入電壓和電流的仿真波形如圖7所示。根據(jù)圖6和圖7，可以看到系統(tǒng)發(fā)生諧振，證明供電系統(tǒng)可以正常運行。最終輸出到次級側的電壓峰值約為19 V，電流峰值約為2 A。

為了驗證雙初級繞組移動式無線供電系統(tǒng)的優(yōu)越性，還對相同參數(shù)的單初級繞組靜態(tài)無線供電系統(tǒng)進行了仿真，系統(tǒng)的等效電路如圖8、圖9所示。

圖9(a)表示單初級繞組無線供電系統(tǒng)初級側的諧振?？梢钥闯?，直流電源的電流和電壓經(jīng)過逆變電路后變?yōu)檎医涣麟妷汉驼医涣麟娏?，并存在一個90°電流和電壓波形之間的相移。相位差是由逆變器電路中四個逆變器的開關順序引起的。圖9(b)顯示了系統(tǒng)次級側電流和電壓在一段時間內的變化，而圖9(c)顯示了電流和電壓的整體變化，從圖9(b)可以看出逆變器電壓為方波，相移角為零，輸出功率小于峰值。從圖9(b)和圖9(c)中可以看出，輸出電流保持不變，輸出電壓在接收器處增加，并且逐漸增加，直到峰值，逆變器電流和功率達到峰值，并且相移角仍然為0°，確保系統(tǒng)的最大功率從發(fā)射器傳輸?shù)诫姵?。由于負載條件的變化和流經(jīng)負載的電流可能不連續(xù)，方波電壓波形會有一定程度的斜率。當?shù)刃ж撦d電阻增大時，逆變器需要增大相移角以減小傳輸電流，使系統(tǒng)以恒定的最大功率運行。

圖8 WPT的等效電路

4 結語

在結構選擇上，補償拓撲采用SS型和SP型系統(tǒng)，輸出功率大，傳輸效率低。PS和PP補償使系統(tǒng)輸出功率較低，但傳輸效率較高。本文采用的雙邊LCC補償拓撲結合了它們的優(yōu)點，對提高系統(tǒng)的功率和效率有很好的效果，另外，本文設計的無線供電系統(tǒng)采用了不同于普通單逆變器的全橋逆變電路，而是采用多臺逆變器并聯(lián)的方式，可以滿足供電系統(tǒng)對大功率的需求，實現(xiàn)大功率輸出。此外，還可以通過控制并聯(lián)逆變器的數(shù)目來調節(jié)系統(tǒng)的輸出功率。

本文除了介紹一種普通的單初級繞組無線供電系統(tǒng)外，還設計了一種雙初級繞組并聯(lián)的無線供電系統(tǒng)。通過實驗發(fā)現(xiàn)，與單初級繞組相比，雙初級繞組并聯(lián)的供電系統(tǒng)能明顯提高系統(tǒng)的傳輸功率和效率。但需要注意的是，采用雙初級繞組時，應適當調整工作頻率，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

[1] 呂彥辰.電動汽車無線供電系統(tǒng)諧振補償拓撲結構研究與設計[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學,2019.

[2] 耿琪琛,劉坤,程少宇,等.不同補償拓撲結構下電動汽車無線充電系統(tǒng)傳輸特性對比[J].電力科學與工程,2021,37(9):18-25.

[3] 白佳航.磁耦合諧振移動式無線供電端變換器的研究[D].天津:河北工業(yè)大學,2019.

[4] 宋義超,李達,高嵬.基于雙邊LCC補償?shù)臒o線能量傳輸諧振電路拓撲分析[J].船電技術,2020,40(10): 22-25.

[5] 董文卓.基于PS/SP補償拓撲的強抗偏移IPT系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2020.

Modeling and Simulation of Mobile Wireless Power Supply System for Electric Vehicles

ZHOU Libo

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to solve the problem of frequent charging and short cruising range when electric vehicles adopt the static wireless charging method, a mobile wireless power supply system for electric vehicles is designed and modeled and simulated. Firstly, an inverter circuit with multiple inverters in parallel is designed to meet the high power demand of the power supply system. Secondly, a bilateral LCC compensation topology is adopted, and the calculation and analysis are completed after T-transformation. Finally, a wireless power supply system with two primary windings in parallel and a single primary winding wireless power supply system are designed, and the model building and simulation are completed using MATLAB/Simulink. Simulation analysis shows that, compared with the wireless power supply system with single primary winding, the wireless power supply system with two primary windings in parallel has higher transmission power and efficiency.

Electric vehicle; Mobile wireless power supply; Multichannel inverter; Bilateral LCC compensation topology

U469.72；U463.6

A

1671-7988(2023)03-15-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.003

周立博（1997—），男，碩士研究生，研究方向為電動汽車無線充電技術、分布式驅動電動汽車電子差速策略，E-mail:1349141145@qq.com。