吕梦圆 翟丽 胡桂兴

(北京理工大学 机械与车辆学院, 北京 100081)

无线充电是未来电动汽车充电技术的发展趋势[1],利用初级线圈将高频交流电以高频交变电磁场的形式向空间传输,并以电磁场耦合的方式在接收端产生感应电动势,进而为动力电池充电[2]。 目前,电磁场安全问题和电磁兼容问题是无线充电系统需要重点关注的2 个方面[3]。 标准SAE J2954[4]和IEC TS 61980-2[5]等国内外电动汽车无线充电技术标准和法规都定义了泄漏电磁场和电磁骚扰的限值[4-5]。 国内外学者对电动汽车无线充电系统的传输功率、耦合器效率和电磁场分布研究较多[6-9]。 无线充电系统初级侧逆变器工作时,功率开关产生瞬变电流和电压,通过系统寄生参数,形成电磁骚扰传导发射和辐射发射。Kim 等[10]只对无线充电系统的电流低次谐波进行了理论和实验研究。 目前,干扰预测与评估是无线充电系统传导电磁干扰的研究重点[11-12]。其中,建立有效、准确的系统高频电路模型是传导电磁干扰预测的难点。 在前期研究中,很多学者采用简化模型、理想估计模型、“黑盒子” 端口网络方法,建立传导电磁干扰预测模型[13-14]。 Qi等[15]对串联式补偿结构的无线充电系统进行了建模仿真,预测共模电磁干扰,只考虑了逆变器功率开关寄生参数的影响。 然而,没有考虑耦合线圈、线缆和补偿电路元件的寄生参数对高频电磁干扰的影响,致使传导电磁干扰仿真结果与测量结果有偏差。 本文依据标准SAE J2954 构建3.7 kW 的无线充电系统,对系统中各模块进行选型设计。 采用测量和理论计算结合的方法,对耦合线圈、线缆和补偿电路元件进行了寄生参数提取,并考虑了功率开关寄生参数的影响,建立了无线充电系统传导电磁干扰高频电路模型。 通过建模仿真和试验,研究无线充电系统电源线传导电磁干扰。

1 系统结构与建模

依据SAE J2954[4]标准,构建最大输出功率为3.7 kW 的无线充电系统,如图1 所示,主要由初级功率模块、无线耦合器、次级功率模块组成,主要设计指标如表1 所示。 圆形耦合线圈在各个方向上具有相同的抗偏移性能、结构简单可靠,目前广泛应用于静态无线充电系统。 因此,无线耦合器选取圆形耦合线圈结构。

表1 无线充电系统的设计指标Table 1 Design specifications of wireless charger

图1 典型无线充电系统原理Fig.1 Schematic diagram of typical wireless charging system

1.1 系统电路模型

根据图1 和表1,利用仿真软件ANSYS Simplorer 对无线充电系统的主功率电路进行建模,如图2 所示。 其中:①电网输入,220 V 交流电;②整流模块,全桥整流结构和boost 升压功率因数校准(PFC)电路;③逆变模块,全桥逆变结构,功率器件为MOSFET;④初级LCC 复合补偿拓扑结构;⑤耦合器,圆形耦合线圈和铁氧体轮辐式布置;⑥次级LCC 补偿拓扑结构;⑦次级全桥整流结构;⑧次级LC 滤波结构。

经过系统参数匹配计算,对系统各模块电路元件进行选型,参数如表2 所示。 根据图1 和表2,在ANSYS Maxwell 中建立耦合线圈模型,如图3 所示,线圈参数如表3 所示。 考虑到耦合线圈的形状,本文选择如图3(b)所示的铁氧体轮辐式结构,长短铁氧体交错布置,可以有效提高圆形线圈的磁场耦合能力,铁氧体设计参数如表4 所示。 根据图2所示的无线充电系统模块方案建立仿真模型,对整个电路模型的电气特性进行仿真分析。

表2 电路元件参数Table 2 Circuit element parameters

表3 耦合线圈参数Table 3 Coupling coil parameters

表4 铁氧体设计参数Table 4 Design parameters of ferrite

图2 无线充电系统各模块方案Fig.2 Solution to each module of wireless charging system

图3 耦合装置Fig.3 Coupling device

从图4 仿真结果可知,系统在4 ms 后系统输出直流电流和电压达到稳定值,输出功率为3.7 kW,满足系统设计要求,验证了系统电气功能的正确性。

图4 电气特性联合仿真结果Fig.4 Co-simulation of electrical characteristics

1.2 无线充电系统高频电路模型

1.2.1 干扰源模型MOSFET 快速通断产生的瞬变电流和电压是无线充电系统产生电磁干拢(EMI) 的根源。MOSFET 的高频等效电路如图5(a)所示,参考数据手册,得到表5 所示的基本特性参数。 利用ANSYS Simplorer, 建 立 MOSFET 动 态 模 型 如图5(b)所示,其中VM 为电压表。

图5 MOSFET 模型Fig.5 MOSFET model

表5 MOSFET 基本特性参数Table 5 Basic characteristic parameters of MOSFET

将MOSFET 动态模型加入系统中,仿真得到MOSFET 源漏极电压,如图6 所示。 可以看到,由于MOSFET 存在极间寄生电容和引线电感,在电压波形上升和下降处出现振铃现象,振铃峰值电压达到440 V,超出额定工作电压60 V。

图6 MOSFET 输出电压波形Fig.6 Output voltage waveform of MOSFET

1.2.2 系统模型

在150 kHz ～30 MHz 频段,电磁干扰的传播路径主要与无线充电系统电路的高频参数有关,包括MOSFET 寄生参数、线缆寄生参数、LCC 拓扑电路和耦合线圈高频参数,如表6 所示。 根据系统结构和高频参数,建立了无线充电系统高频电路模型,如图7 所示。

图7 无线充电系统高频电路模型Fig.7 High-frequency circuit model of wireless charging system

表6 各元件电气参数和寄生参数Table 6 Electrical parameters and parasitic parameters of each component

1.2.3 寄生参数提取

无线充电系统高频模型的关键参数是耦合线圈、LCC 拓扑电路和线缆的高频寄生参数。 采用矢量网络分析仪(VNA)测量和理论分析结合的方法获取高频寄生参数。

1) 耦合线圈。 由多匝利兹线缆绕制而成的耦合线圈可看做电感,并等效为电感模型进行测量,对线圈的寄生参数进行提取,图8 为单个耦合线圈的测量布置、等效电路及阻抗测量结果。 谐振频率为700 kHz,计算得到初级线圈电阻RLp为205.720 2 mΩ,初级线圈电容CLp为3 627 pF,初级线圈电感Lp为218.811 9 μH。 除了单个耦合线圈自身的寄生参数,还需要考虑其对其他元件之间的寄生参数,如线圈对地电容及两线圈之间的寄生电容。

图8 耦合线圈参数提取Fig.8 Parameter extraction of coupling coil

2) 线缆寄生参数。 在LCC 补偿拓扑与耦合线圈之间采用2 根长度为800 mm、截面为16 mm2的铜芯屏蔽线缆。 图9 为正极线缆的等效电路及阻抗测量结果。 根据谐振频率20 MHz 处的阻抗值,计算得到线圈电阻Rcable1为463.106 mΩ,线圈电容Ccable1为61.204 pF,线圈电感Lcable1为137.682 μH。 用同样的方法计算负极线缆阻抗曲线。

图9 正极线缆的等效电路及阻抗测量结果Fig.9 Equivalent circuit and impedance measurement of positive cable

3) LCC 拓补电路。 采用同样的方法,测量LCC 拓扑的电容和电感的高频参数,C1和L1的等效电路和阻抗如图10 所示。 采用同样的方法测量LCC 拓扑其他电容、电感及系统其他寄生参数,如各功率模块对地电容及功率器件的寄生电容等。 最终获得系统元件寄生参数的测量结果如表6所示。

图10 LCC 拓扑的电容和电感的阻抗Fig.10 Impedances of capacitance and inductance of LCC topology

2 传导干扰耦合路径

2.1 差模干扰路径

全桥逆变结构中4 个MOSFET 功率开关为交替通断,选择逆变模块中MOS1 和MOS4 关断、MOS2 和MOS3 导通时的工作模式,对初级侧直流母线的差模干扰路径进行分析。

假设MOS1 工作时,在正负电源线之间形成差模干扰电流源,根据差模电流的流向可以得到2 条主要的差模路径,如图11 所示。 第1 条为电流回流流经LISN,第2 条为电流流向耦合线圈。差模干扰路径等效电路,如图12(a)所示。 从图11可以看出,差模干扰路径在不考虑次级侧电路的情况较为简单。

图11 差模干扰路径Fig.11 Differential mode interference path

2.2 共模干扰路径

MOS1 工作时,桥臂中点与地之间形成共模干扰电流源,根据系统各部分对地电容的分布,可以得到4 条主要的共模路径,如图13 所示。第1 条为电流流经LISN 后流向大地,第2 条为电流流经初级线圈后流向大地,第3 条为电流流经次级线圈后流向大地,最后1 条为电流流经桥臂中点后流向大地。 实际情况共模路径应远多于此。 共模干扰路径等效电路如图12(b)所示。

图12 差模干扰和共模干扰路径等效电路Fig.12 Equivalent circuits of different mode interference and common mode interference

图13 共模干扰路径Fig.13 Common mode interference path

3 仿真与试验结果分析

3.1 传导发射仿真

基于SAE J2954[4]标准规定的无线充电系统传导干扰的测量方法,根据图7 所示的系统高频电路模型在ANSYS Simplorer 平台上搭建模型进行传导干扰仿真。

分别给定差模干扰源和共模干扰源激励信号,得到差模、共模干扰电压及150 kHz ～30 MHz的频域特性,如图14 和图15 所示。 可以看出,共模干扰电压谐振频率为MOSFET 开关频率的偶次倍,差模干扰电压谐振频率为开关频率的奇次倍。 共模干扰电压幅值比差模干扰电压大,特别是在高频段,与理论分析一致。 共模电压在170 kHz时的幅值达到最大值81.60 dBμV,不仅超出了标准规定传导电压限值,还可能会引起辐射发射问题。 差模电压幅值虽然比共模电压小,但在1.78 MHz 达到66.40 dBμV,超出了标准规定传导电压限值。

图14 共模干扰电压和差模干扰电压Fig.14 Voltage of common mode interference and different mode interference

图15 传导电压频谱Fig.15 Conducted voltage spectrum

3.2 传导发射试验

根据标准SAE J2954[4]搭建了无线充电系统传导发射试验平台,整个试验布置在屏蔽暗室中,降低外界环境对试验的影响,布置严格遵循标准要求的连接关系,保证控制箱与LISN 等设备良好接地。 完成设定之后,系统处于正常工作工况,对电源线上的传导电压进行测试,如图16 所示。 传导电压在150 kHz ～30 MHz 频段的测试结果如图17所示。 在150 kHz ～3 MHz 之间,传导电压大于60 dBμV;在10 kHz ～1.5 MHz 误差不超过20 dBμV,且在15 MHz 频点处存在一个谐振尖峰,为超标风险频点,测试结果曲线与仿真得到的传导骚扰电压结果在4 ～30 MHz 频段一致,验证了仿真模型的准确性。

图16 无线充电系统传导发射试验布置Fig.16 Experimental setup of conducted emission of wireless charging system

图17 传导电压试验结果Fig.17 Experimental results of conducted voltage

4 结 论

本文构建了电动汽车双边LCC 拓扑结构无线充电系统传导电磁干扰高频电路模型,采用矢量网络分析仪测量和理论计算结合的方法,重点对耦合线圈、高压直流线缆和LCC 拓扑电路进行了高频参数提取,系统模型具有较高的精度。

1) 根据标准SAE J2954,利用ANSYS Simplorer 进行了系统传导电磁干扰建模仿真,从传导骚扰电压仿真结果可以看出,在150 kHz ～30 MHz频段共模干扰比差模干扰显著,并且都存在超标点。

2) 试验与仿真的传导电压结果一致,验证了仿真模型的准确性和有效性。 因此,可以利用建立的系统高频电路模型,进行系统EMI 预测和抑制,以满足标准限值要求。