一种电动汽车谐振式无线供电系统的研究

2015-03-23陈思语潘伟玲

中国计量大学学报 2015年2期

关键词：互感二极管谐振

陈思语,谢岳,潘伟玲,冉祎

(中国计量学院机电工程学院,浙江杭州 310018)

一种电动汽车谐振式无线供电系统的研究

陈思语,谢岳,潘伟玲,冉祎

(中国计量学院机电工程学院,浙江杭州 310018)

针对谐振式无线供电系统初级线圈和次级线圈相对位置变化引起接收功率及输出电压变化的现象,以及二极管整流导致次级电路电流畸变和功率因数下降等问题,提出了一种基于PWM整流的电动汽车谐振式无线供电系统，即采用电压外环及电流内环的双环控制方法,以保证供电系统的单位功率因数及直流电压的恒定输出，并且利用ANSYS和MATLAB/Simulink仿真软件，分别研究电动汽车停车充电位置偏差对互感的影响及基于PWM整流的谐振式无线供电系统的性能,仿真结果验证了方案设计的有效性.

电动汽车;无线供电;谐振;PWM整流

随着低碳经济的不断推进,污染治理和新能源开发已经被放在社会发展的战略高度.电动汽车作为一种新能源机动车,不仅可以有效地解决尾气排放问题,而且一定程度上也缓解了我国化石燃料短缺的现状[1].谐振式无线供电技术因其供电过程中具有的安全、可靠及传输距离远等特点而成为了电动汽车领域的研究热点[2].

谐振式无线供电技术通过发射电路及接收电路发生谐振实现能量的有效传递[3].然而，随着供电系统外部条件的不断变化,电路参数的漂移导致谐振频率的不稳定,进而影响整个系统的传输性能[4].因此，有必要保证系统工作在谐振状态.目前用于谐振式供电电路调谐控制的方法主要包括电源频率跟踪谐振频率和谐振频率跟踪电源频率两种[5-8].前者通过功率和效率的控制实现电能的高效传输,但是通常需要提供额外的通讯通道来实现初次级电路的信息交换;后者基于电感调节和电容调节,提出了相控电感和电容阵列两种方案,然而相控电感的大范围调谐容易引入严重的电流畸变,电容阵列则存在调谐范围和调谐精度的矛盾.此外,现有无线供电系统的次级电路通常采用二极管整流实现直流输出,但这会导致次级电路电流畸变及功率因数下降,并且输出电压会随着传输距离和负载的变化而变化,因此需要增加电压调节电路以维持输出电压的稳定[9-10].

本文提出了一种基于PWM整流的电动汽车谐振式无线供电系统,该供电系统能很好地补偿谐振网络参数的漂移,在传输距离变化时能维持负载两端电压稳定并实现恒功率输出,同时能实现供电系统的单位功率因数.本文通过理论及仿真分析,证明了方案的可行性,同时将分析结果与现有二极管整流系统的性能相比较,验证了所提方案的优越性.

1 无线供电系统原理分析

谐振式无线供电系统的原理图如图1,它包括初级谐振回路、次级谐振回路、整流电路和稳压电路,图中高频交流电压源us(t)向由初级线圈电感L1、初级线圈电阻R1和初级谐振补偿电容C1构成的初级谐振回路提供电能,次级线圈电感L2、次级线圈电阻R2和次级谐振补偿电容C2通过谐振耦合接收初级回路电能,并经过二极管D1～D4构成的全桥整流电路和稳压电容C,向负载Rload提供直流电压udc(t).M为初次级线圈的互感,i1(t)和i2(t)分为初级回路和次级回路的电流,idc(t)为直流端输出电流,ic(t)和iL(t)分别为稳压电容C及直流负载Rload上的电流.

图1 谐振式无线供电系统原理图 Figure 1 Schematic diagram of the resonantwireless power supply system

根据正弦等效原理将二极管整流电路、稳压电路及直流负载等效为交流负载RL=8Rload/π2[11].当系统在电源角频率ω处谐振时,初次级回路无功功率分别为零,负载接收的功率为

(1)

图2所示为谐振式无线供电系统负载接收功率与负载和互感的关系图.此时,高频交流电压us(t)的电压为110 V,频率为15 kHz,初次级线圈的内阻分别为0.3 Ω和0.05 Ω.从图中可见,每个互感都对应着一个匹配电阻使得负载接收功率最大,由式(1)可得：

(2)

(3)

式(2)(3)中，Pmax—负载最大接收功率;Rmax—负载匹配电阻.可见,当恒功率输出条件下负载功率小于最大接收功率Pmax时,总有一对互感及负载电阻满足系统的恒功率输出.但对于图1所示的电路,互感M变化或电路参数漂移时,会导致负载接收功率下降,并且输出直流电压udc(t)不稳定.

图2 负载接收功率P与负载RL和互感M的关系Figure 2 Load reception power as a function of load and mutual inductance

2 PWM整流无线供电系统

2.1 原理分析

为了改进图1电路的缺点,本文提出了一种如图3所示的基于PWM整流的谐振式无线供电系统,图中T1～T4构成PWM整流电路.由图3可知:

(4)

uAB(t)=udc(t)S(t).

(5)

式(4)(5)中，S(t)—PWM整流器的开关函数,uAB(t)—PWM整流器交流侧电压.谐振稳态条件下,仅考虑基波分量时,次级感应电压e2(t)=Mdi1(t)/dt=E2sinωt,i2(t)=I2sinωt,S(t)=msin(ωt+φ),其中，E2、I2—基波分量的峰值,m为调制比,且0

(6)

图3 PWM整流谐振式无线供电系统原理图Figure 3 Schematic diagram of the resonant wireless power supply system based on PWM rectifier

图4 次级交流侧矢量关系图Figure 4 Vector diagram of second AC side

2.2 控制方法

图5 电流内环控制结构图Figure 5 Block diagram of the inner loop current control

PWM整流器交流侧指令电压为

(7)

(8)

(9)

根据劳斯稳定判据可以得出该电流内环控制系统是稳定的.

由于次级交流电流i2(t)到整流器直流侧输出电流idc(t)是一个调制过程,该过程可以表示为

(10)

忽略idc(t)中二次谐波脉动分量,得到次级交流电流幅值I2到直流侧输出电流直流分量Idc的传递函数

(11)

Wvc(s)=

(12)

图6 电压外环控制结构图Figure 6 Block diagram of the outer loop voltage control

3 互感的仿真研究

3.1 ANSYS有限元电磁仿真

在电动汽车无线供电系统中,停车位置的偏移及汽车本身载重会造成初次级线圈相对位置变化,从而影响两线圈间的耦合程度,即互感的数值.假定电动汽车的充电距离为30 cm,初级线圈半径为0.4 m,次级线圈半径为0.3 m,总横截面积分别为450 mm2和100 mm2.利用ANSYS有限元分析软件建立平行线圈电感的三维仿真模型,分析线圈相对位置与互感关系.

如图7(a)和图7(b),同轴平行两线圈关于Y轴对称,中心水平偏移平行两线圈关于XOY面对称,因此为减小生成的单元和节点,提高计算速度,分别建立四分之一和二分之一模型.利用LMATRIX宏命令语句计算电感参数,得到初次级线圈自感分别为1.525 μH和2.538 μH,线圈相对位置与互感关系曲线如图8(a)和图8(b).由仿真结果可知,互感随垂直距离和水平偏移量的增加而减小.从仿真结果可见电动汽车停车位置在垂直28～31 cm及水平偏移±10 cm范围内,互感M的变化范围为6.73～7.61 μH,下面以此范围对该无线供电系统的特性进行研究.

图7 线圈三维模型Figure 7 Three-dimensional models of coils

图8 线圈相对位置与互感关系曲线Figure 8 Relative position between coils as a function of mutual inductance

3.2 无线供电系统仿真

为验证设计方案的有效性,利用MATLAB/Simulink软件分别建立了二极管整流和PWM整流两种模型,仿真步长均为3.75 e-8s固定步长.二极管整流方案中直流负载为同轴平行两线圈相距30 cm时的匹配负载,PWM整流方案中直流负载为50 Ω,直流输出电压500 V,稳压电容为110 μF,其余参数不变.

图9 次级感应电压e2与电流i2波形Figure 9 Waveforms of the secondary induced voltage and current

图9(a)和图9(b)分别为初次级线圈竖直间距为30 cm水平偏移为0 cm时,二极管整流和PWM整流方案中次级感应电压与次级交流侧电流波形,其中交流电流谐波含量分别为7.87%和1.12%,功率因数分别为0.993和1.由图9可以看出,二极管整流电路交流侧电流畸变较大且功率因数小于1;而PWM整流电路次级电流为较光滑的正弦波,功率因数等于1.图10为互感变化时负载接收功率关系图,图中Pmin、Pmax分别为图2中负载接收的最小和最大功率曲线,P和Pdiode分别为固定30 cm最佳负载时,理论计算和二极管整流方案负载接收功率曲线;PPWM为本文所提方案负载接收功率曲线.从图10中可以看出,互感发生变化时,二极管整流方案的负载接收功率存在极大值,与理论分析负载接收功率趋势保持一致,但二极管整流方案负载接收功率普遍低于理论值,这是因为二极管整流电路中次级交流侧电流畸变严重,导致功率因数不为1;而基于PWM整流器的磁耦合谐振式无线供电系统在线圈相对位置变化时,能够维持输出功率恒定.图11为互感固定,直流负载变化时输出直流电压曲线.由图11可知,直流负载增大时,二极管整流电路输出电压随之增大,而PWM整流方案输出电压则维持不变.

图10 负载接收功率P与互感M关系图Figure 10 Relationship between mutual inductance and load reception power

图11 直流输出电压Udc与负载电阻RL关系图Figure 11 Relationship between output DC voltage and load

以上仿真结果表明,本文所设计的基于PWM整流的无线供电系统不但能够实现次级回路谐振和直流侧恒压输出,而且谐波含量低,畸变率小,并具有较好的抗负载扰动的能力.

4 结语

本文在磁耦合谐振原理的基础上,提出了一种基于PWM整流的无线供电系统,分析了电压外环电流内环控制系统单位功率因数运行及次级保持恒压输出的工作原理,并结合ANSYS有限元分析和MATLAB/Simulink软件对本文所提方案和二极管整流方案进行了仿真研究.仿真结果表明,在线圈相对位置发生变化时,该系统能够自动调谐并维持恒压输出,且具有谐波含量低、电流畸变小、抗负载扰动等优点,从而验证了系统设计的合理性和可行性,为电动汽车无线供电提供了一种全新的技术方案.

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Research on a resonant wireless power supply system for electric vehicles

CHEN Siyu, XIE Yue, PAN Weiling, RAN Yi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

In a resonant wireless supply system, the received power and output voltage change along with the relative position change between the primary coils and the secondary coils. Meanwhile, the current waveform in the received side is distorted and the power factor decreases due to the use of diode type rectifiers. An electric vehicle resonant wireless supply system based on PWM rectifiers was proposed to deal with these issues. By using double-loop control approach which was composed of outer loop voltage and inner loop current control, both system unity power factor and constant DC voltage output were achieved. The effects of parking position deviation on mutual inductance and the wireless supply system performance based on PWM rectifier were studied respectively by using the ANSYS and MATLAB/Simulink simulation softwares. The simulation results verify the correction of the system design.

electric vehicles; wireless power supply; resonant; PWM rectifier