基于雙邊LCC拓撲結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)集成線圈設(shè)計研究

錢堯,孫運全,朱偉

(江蘇大學 電氣信息工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的增強,電動汽車受到了越來越多的關(guān)注[1-3],而如何實現(xiàn)安全便捷的電池充電是電動汽車研究的重點內(nèi)容[4]。無線充電憑借其安全穩(wěn)定、維護方便等優(yōu)點在多種充電方式中脫穎而出[4-5]。電動汽車無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,它一般是由兩部分組成:位于路基中的發(fā)射端(一次側(cè))和處于電動汽車內(nèi)部的接收端(二次側(cè)),系統(tǒng)的兩端分別通過發(fā)射和接收能量完成電動汽車的充電[6]。

圖1 電動汽車無線充電系統(tǒng)

由圖1可知,交流電源分別通過功率因數(shù)校正器以及高頻逆變器轉(zhuǎn)換成高頻交流電;振耦合機構(gòu)通過交變磁場并利用電容和線圈電感諧振來抵消無功,當兩側(cè)的諧振頻率相等時可實現(xiàn)電能的高效傳輸;整流濾波電路再將所接收到的能量轉(zhuǎn)變成所需的直流電,為電動汽車進行充電,以上便是電動汽車無線充電的基本原理[7]。

為了最大限度地降低電源的額定電壓和最大限度地提高系統(tǒng)的傳輸功率,系統(tǒng)中的線圈通常不直接驅(qū)動,而是由一組電容和電感補償[8-9]。這種補償方式有助于實現(xiàn)軟開關(guān),從而提高相應(yīng)功率變換器的效率,同時還可以提供恒流或恒壓輸出[10]。系統(tǒng)的諧振補償拓撲結(jié)構(gòu)可有多重組合:發(fā)射端串聯(lián)-接收端串聯(lián)(SS)、發(fā)射端串聯(lián)-接收端并聯(lián)(SP)、發(fā)射端并聯(lián)-接收端串聯(lián)(PS)、發(fā)射端并聯(lián)-接收端并聯(lián)(PP)[11]。其中,SS在電動汽車無線充電系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛,但是它的傳輸效率受負載的影響較大。文獻[12]提出雙邊LCC補償拓撲結(jié)構(gòu),它繼承了SS補償拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,為優(yōu)化系統(tǒng)效率和實現(xiàn)零電壓開關(guān)提供了更大的靈活性。但是相對于SS拓撲補償結(jié)構(gòu)相比,雙邊LCC拓撲結(jié)構(gòu)有一個明顯的缺點,即兩個補償電感會占用較大的體積,把它安裝在電動汽車內(nèi)部時存在明顯的缺陷。

為了解決雙邊LCC拓撲結(jié)構(gòu)體積大的問題,文獻[13]中提出了一種集成方法,把諧振補償線圈集成到主線圈里,將雙極性線圈作為兩側(cè)的主線圈、單極性線圈作為兩側(cè)補償線圈,它們共用一個磁芯,這樣可以適當?shù)販p小因集成線圈而產(chǎn)生的多余的耦合系數(shù),提高系統(tǒng)的傳輸效率。但是當一次側(cè)與二次側(cè)未完全對齊時,系統(tǒng)的傳輸效率明顯降低。

所以文章在文獻[13]的基礎(chǔ)上進行了拓展研究,設(shè)計出一種新型緊湊高效的雙邊LCC補償拓撲結(jié)構(gòu),將雙極性的補償線圈集成到單極性的主線圈中,該結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點:

(1)提出了一種新型基于雙邊LCC補償拓撲結(jié)構(gòu)并能與單極性線圈結(jié)構(gòu)兼容的集成線圈的無線充電系統(tǒng);

(2)采用該集成線圈方法的無線充電系統(tǒng)可以最小化地消除系統(tǒng)中多余的額外耦合系數(shù),這是相對于文獻[13]的優(yōu)勢;

(3)該無線充電系統(tǒng)在兩側(cè)線圈完全對齊和水平或垂直方向失調(diào)的情況下,具有較好的性能。

1 分析

基于雙邊LCC補償拓撲結(jié)構(gòu)的集成補償線圈和主線圈之間的交叉耦合系數(shù)示意圖如圖2所示,其中L1和L2為發(fā)射線圈和接收線圈的自感,Lf1、Cf1和C1分別為發(fā)射端的諧振電感和補償電容,Lf2、Cf2和C2為接收端的諧振電感和補償電容。該集成方法可以有效地使LCC無線充電系統(tǒng)更加緊湊,但是會產(chǎn)生多余的耦合系數(shù),K為發(fā)射端主線圈L1與接收端L2之間的耦合系數(shù),K1f1為一次側(cè)的主線圈L1與諧振線圈Lf1之間的耦合系數(shù),K的下標表示兩個存在耦合的線圈,所以需要消除多余的耦合系數(shù)。

圖2 基于雙邊LCC的集成補償線圈和主線圈之間的交叉耦合系數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)圖

集成線圈的結(jié)構(gòu)概況如圖3所示,線圈結(jié)構(gòu)的每一側(cè)都有四個有序排列的層:主線圈、補償線圈、鐵氧體板和鋁屏蔽,其中主線圈使用單極線圈,補償線圈使用雙極線圈。電能通過兩個主線圈產(chǎn)生的磁場從主線圈一端無線傳輸?shù)礁本€圈一端。鐵氧體板和鋁屏蔽體提供了足夠的磁屏蔽,使產(chǎn)生的磁場集中在線圈結(jié)構(gòu)內(nèi)。

以一次側(cè)線圈為例,一次側(cè)補償線圈Lf1產(chǎn)生并通過主線圈L1的凈磁通為:

Ψ1f1=?Bf1·dS1

(1)

其中Bf1為磁通密度,S1為諧振線圈 L1的面積,由于雙極性線圈產(chǎn)生的磁通量從它的一個磁偶極子流向另一個磁偶極子[14-15],流入L1的磁通量等于流出L1的磁通量,所以凈磁通為零。因此,消除了L1與Lf1之間的耦合效應(yīng),此時耦合系數(shù)k1f1為零。同理磁通量Ψ1f1和耦合系數(shù)k2f1之間也是零。這種集成結(jié)構(gòu)消除了當一次側(cè)與二次側(cè)完全對齊時的同側(cè)耦合系數(shù)和橫向額外耦合效應(yīng)。當一次側(cè)與二次側(cè)產(chǎn)生偏移時,由于同側(cè)線圈的相對位置不變,所以此時同側(cè)的耦合系數(shù)仍然為零。

在實際應(yīng)用中,由于諧振補償線圈的感量遠遠小于主線圈的感量,并且主線圈與異側(cè)諧振線圈的距離相對較遠,所以此時它們之間的耦合系數(shù)很小,可以忽略不計,這將在文中第三部分實驗環(huán)節(jié)得到驗證。

當系統(tǒng)中只存在兩側(cè)主線圈互感時,雙邊LCC補償拓撲的等效電路圖如圖4所示,為簡單起見,省略了全橋逆變器和整流器。其中vac為逆變器之后的交流電壓,Req為整流器之前的直流負載的等效電阻,M為L1和L2之間的互感。

圖4 雙邊LCC補償拓撲的等效電路

在固定諧振頻率點處對圖4電路進行特性分析,可得到:

(2)

采用電流法,可將電路分為四個網(wǎng)格,通過求解電路方程,輸入功率方程可推導(dǎo)為:

(3)

此外:

(4)

若把功率損率忽略,將式(2)與式(3)合并可得到:

(5)

在實際應(yīng)用中,諧振網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出電壓都是固定值,由式(5)可知傳輸功率與耦合系數(shù)k呈正相關(guān),所以優(yōu)化耦合系數(shù)k是保證電磁耦合機構(gòu)滿足能效特性要求的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)設(shè)計

無線充電系統(tǒng)主要由逆變器、整流器和帶補償網(wǎng)絡(luò)的線圈三部分組成,整個電系統(tǒng)的功率損耗主要來源于這三個部分。逆變器選用SiC mosfet,整流器選用二極管,由于在逆變器階段會實現(xiàn)零電壓開關(guān),因此逆變器和整流器的大部分功率損耗是mosfet和二極管的傳導(dǎo)損耗,而在一個3.0 kW的無線充電系統(tǒng)中,損耗約為31 W,這僅僅才會導(dǎo)致了1%的效率下降。因此,系統(tǒng)的大部分功率損耗來自于線圈和補償網(wǎng)絡(luò)。在雙邊LCC補償拓撲結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)中,有8個電路組件,分別為4個電感器和4個電容器。電路元件的功率損耗由它們的ESR決定,電感的ESR由電感的質(zhì)量因數(shù)、頻率和電感值決定,電容的ESR則由損耗因數(shù)、頻率和電容決定[10]。在諧振條件下,頻率是固定的,由式(2)可知電容值是由電感值確定。因此,設(shè)計的重點是優(yōu)化四個電感的值,使系統(tǒng)能夠在期望的輸出功率下達到最高的效率。

2.1 主線圈的設(shè)計

由于功率傳遞依賴于兩個主線圈之間的耦合,因此在主線圈尺寸內(nèi)需要最大耦合系數(shù)。文中設(shè)計的主線圈的尺寸與文獻[13]中一致,以便于進行比較分析。一次側(cè)主線圈和二次側(cè)主線圈尺寸分別為“600 mm×450 mm×4 mm”和“400 mm×300 mm×4 mm”,兩個線圈之間的間距為150 mm。耦合系數(shù)與線圈的幾何形狀密切相關(guān),一次側(cè)、二次側(cè)的主線圈仿真示意圖如圖5所示。

圖5 兩側(cè)主線圈結(jié)構(gòu)示意圖

通過圖6的流程步驟,經(jīng)過仿真可得到當一次側(cè)主線圈的寬度為200 mm,二次側(cè)主線圈的寬度為90 mm時,此時的主耦合系數(shù)時最大值0.230 2,此時L1=230 μH,L2=180 μH。

圖6 主線圈設(shè)計流程圖

2.2 諧振線圈的設(shè)計

由2.1可知L1=230 μH,L2=180 μH,由文獻[13]可計算滿足系統(tǒng)實現(xiàn)軟開關(guān)的諧振電感量為Lf1=56 μH,Lf2=43 μH。根據(jù)兩側(cè)補償線圈的要求值,利用ANSYS MAXWELL軟件對補償線圈進行設(shè)計,諧振線圈設(shè)計與優(yōu)化流程如圖7所示。從實際設(shè)計的角度來考慮,兩個補償線圈之間的額外交叉耦合是不可避免的,因此文章的目標是將額外交叉耦合系數(shù)最小化。研究補償線圈的不同長寬來獲得最小耦合系數(shù)。文中補償線圈的長寬比定義為“w/h”,其中w為補償線圈在y方向上的長度,h為補償線圈在x方向上的長度。由于雙極性線圈產(chǎn)生的磁通是單向的,而不是各向同性的[14-15]。因此,兩個補償線圈的位置會影響它們之間的耦合系數(shù)。文中研究了如圖8所示的諧振線圈的兩種放置情況:兩個線圈完全對準;其中兩個線圈未對準,角度為90°。這兩種情況下,初級和次級補償線圈的面積大約固定在50 000 mm2和40 000 mm2。通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當一次側(cè)補償線圈長寬比為“4:3”,二次側(cè)補償線圈長寬比為“3:4”時,此時的多余額外耦合系數(shù)kf1f2可忽略不計。

圖7 諧振線圈設(shè)計與優(yōu)化流程圖

圖8 諧振線圈的兩種放置方式

此外,文中為了驗證所提出的集成線圈方法的無線充電系統(tǒng)是最緊湊的,也對鐵氧體磁芯和空芯類型補償線圈進行了仿真研究。文中對不同類型的補償線圈進行仿真,得到所需的電感值,并將其體積進行比較,如表1所示,空心線圈占據(jù)最大空間,鐵氧體磁芯線圈較少,集成線圈最少。此外,集成線圈相對于鐵氧體磁芯線圈還有兩個優(yōu)點:由于集成線圈是平面的,更容易包裝; 從經(jīng)濟角度來看,采用集成線圈的每個無線充電系統(tǒng)相對于鐵氧體磁芯線圈會節(jié)省將近400元。

表1 各種線圈體積

3 實驗

為驗證新型耦合結(jié)構(gòu)的可行性與優(yōu)越性,搭建無線充電實驗平臺,實驗基本參數(shù)如表2所示。其中無線充電系統(tǒng)的每一側(cè)的主線圈、補償線圈和鐵氧體板都單獨放置在有機玻璃板中,這樣做能夠確保它們得到足夠的絕緣,確保實驗得到可靠的數(shù)據(jù)。

表2 無線充電系統(tǒng)的基本參數(shù)

將測得的電路參數(shù)與相應(yīng)的仿真值進行了比較,如表3所示。

表3 電路參數(shù)仿真值和實驗結(jié)果

實驗測量值與仿真值非常接近,在誤差范圍之內(nèi)。其中文中研究兩側(cè)線圈偏移情況的方法與文獻[13]中研究的方法一致,分別測量了在一次側(cè)與二次側(cè)完全對準和四種不對準情況下的耦合系數(shù),這四種不對準的情況是指未對準狀態(tài)只發(fā)生在一個方向上。比如,當X方向上的未對準為100 mm時,此時Y方向和Z方向上是完全對準。測量的電感值如表4所示,系統(tǒng)兩側(cè)的主電感與諧振電感都基本保持不變;系統(tǒng)中耦合系數(shù)的數(shù)據(jù)如表5所示,當產(chǎn)生水平偏差或垂直偏差時,多余的耦合系數(shù)都小于0.01,可忽略不計。

表4 實驗測量結(jié)果

表5 系統(tǒng)中耦合系數(shù)

當一次線圈和二次線圈結(jié)構(gòu)完全對齊時的波形圖如圖9所示,輸入的交流電流if1與輸入的交流電壓vac基本同步,相位差小,諧振電路實現(xiàn)了原邊逆變器軟開關(guān)。

圖9 最大功率下兩側(cè)線圈完全對齊時波形圖

當兩側(cè)線圈完全對齊或未對齊時,實驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 輸出功率與效率的實驗結(jié)果

當兩側(cè)線圈完全對齊,無線充電系統(tǒng)的輸出功率為3.15 kW時,此時系統(tǒng)的傳輸效率可以達到95.5%。當兩側(cè)線圈水平或垂直方向產(chǎn)生偏移時,主耦合系數(shù)k減小,其他參數(shù)基本保持不變,幾乎沒有其它多余額外耦合系數(shù)。

因此,采用該集成線圈的無線充電系統(tǒng)可以消除或最小化減小多余額外耦合系數(shù),此時的無線充電系統(tǒng)更加緊湊,并且無線充電系統(tǒng)的傳輸效率更高了。

4 比較

文獻[13]和文中都是基于雙邊LCC拓撲結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)所給出了兩種集成線圈方法,分別為將單極性諧振線圈集成到雙極性主線圈(IB法)和將雙極性諧振線圈集成到單極性主線圈(IU法)。功率與傳輸效率是無線充電系統(tǒng)性能比較的兩個重要指標。圖11～圖14分別顯示了采用該兩種集成線圈方法的無線充電系統(tǒng)在兩側(cè)線圈完全對齊、門對門方向偏移100 mm、前后方向偏移100 mm、垂直方向偏移50 mm時性能的比較。

圖11 完全對齊時兩種方法的比較

圖12 門對門方向偏移100 mm時兩種方法的比較

圖13 前后方向偏移100 mm時兩種方法的比較

圖14 垂直方向偏移50 mm時兩種方法的比較

當無線充電系統(tǒng)提供相同的輸出功率時,兩側(cè)線圈在完全對齊或門對門方向偏移100 mm時,此時采用這兩種集成線圈方法的無線充電系統(tǒng)的傳輸效率幾乎相同。但是,當兩側(cè)線圈的前后偏移100 mm或垂直方向偏移50 mm時,采用文中設(shè)計的集成線圈方法的無線充電系統(tǒng)具有更高的傳輸效率。

5 結(jié)束語

基于雙邊LCC補償拓撲結(jié)構(gòu)提出了一種新型的電動無線充電集成線圈的方法,它能夠有效消除了因集成線圈而產(chǎn)生的多余的額外耦合系數(shù)。該方法可以使電動汽車無線充電系統(tǒng)更加的緊湊化,并且還提高了系統(tǒng)的傳輸效率。通過仿真分析研究系統(tǒng)兩側(cè)補償線圈的長寬比,來最大程度地消除系統(tǒng)中多余的額外耦合系數(shù)。此外,搭建了無線充電系統(tǒng)實驗平臺,通過實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)在150 mm的氣隙、 3.15 kW的輸出功率,兩側(cè)線圈完全對齊時,傳輸效率可以達到95.5%。文中還與文獻[13]進行了比較分析,通過實驗可知,當電動汽車一次側(cè)與二次側(cè)在水平或垂直方向上產(chǎn)生偏移時,采用文中設(shè)計的集成線圈方法的無線充電系統(tǒng)的傳輸效率更高。