基于电感耦合电能传输技术的智能充电站研究

夏许可, 李良光, 田兴华, 耿晓峰, 刘振鑫(安徽理工大学, 安徽 淮南 232001)

基于电感耦合电能传输技术的智能充电站研究

夏许可, 李良光, 田兴华, 耿晓峰, 刘振鑫
(安徽理工大学, 安徽 淮南 232001)

针对非接触式电能传输存在的传输效率不高的问题,分析了影响非接触式电能传输系统传输功率和传输效率的因素,利用互感理论搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系统模型。在不同的开关频率和互感系数下,研究了开关频率、互感系数与系统传输功率和传输效率之间的关系。仿真结果表明,系统在开关频率为60 kHz时,传输效率达到峰值。

非接触式电能传输; 电感耦合电能传输; 互感理论; 软开关

0 引 言

非接触式电能传输技术主要分为电感耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer,ICPT)技术、电场耦合电能传输以及基于磁共振原理的非接触电能传输[1]。ICPT技术通过高频电磁场的耦合来实现电能的非接触式传输。目前,ICPT技术的应用相对成熟,已得到广泛的使用。

智能充电站系统主要功能是实现对电动车、电动汽车等用电设备的即停即充。快速、安全和便捷性是智能充电站系统考虑的关键因素。采用ICPT技术,能够实现电能的安全、便捷、无接触传输。为了构建基于ICPT技术的智能充电站系统,需要考虑提高电能传输功率和传输效率等问题。

本文利用互感理论搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真系统模型。仿真模型采用SP电容补偿方式,使用ZCS软开关实现高频逆变器控制。

1 ICPT系统的基本工作原理

ICPT技术基于电磁感应原理,通过松耦合变压器将一次侧电能经过铁心和一定厚度的空气媒质传输到二次侧,实现电能在无电气连接情况下的传输[2]。由于空气的磁阻较大,导磁特性远不如铁心,电能传输的效率较低。对非接触式电能传输系统的研究重点是提高电能传输功率和传输效率。

ICPT系统原理图如图1所示。输入整流滤波电路将交流电整流成直流电。高频逆变器将直流电逆变成高频方波电压,为松耦合变压器一次侧提供电能。松耦合变压器通过磁场耦合将一次侧电能传输至二次侧,补偿电路使变压器工作在谐振状态。输出整流滤波电路使接收的高频方波电压整流成负载所需的直流电。

图1 ICPT系统原理图

2 ICPT系统传输功率和传输效率影响因素分析

ICPT系统模型如图2所示。

图2 ICPT系统模型

图2(a)中,分别对一次侧和二次侧回路列KVL方程,得

(1)

由式(1),计算出I1和I2分别为

(2)

(3)

当系统处于谐振状态时阻抗最小,无功功率为0,系统的电能传输效率相对较高。

图2(b)中,补偿电容C1、C2的容量为

(4)

系统经过补偿后,分别对一次侧和二次侧回路列KVL方程,得

(5)

当系统处于谐振状态时,一次侧输入功率为

(6)

二次侧输出功率为

(7)

由式(6)、(7)可知,一次侧、二次侧输出功率与电压US、互感M、开关频率f、系统内阻R1、R2以及负载电阻RL有关。

系统传输效率为

(8)

由式(8)可知,电能的传输效率与系统内阻R1、R2、互感M、开关频率f、负载电阻RL有关。

由上述分析可知,提高传输效率方法主要有:调整高频逆变器频率;选择合适的负载电阻;选择合适的补偿电容容量。系统确定后,负载电阻的大小也随之确定,所以提高系统的传输效率主要从调整逆变器的频率、添加电容补偿的方式来实现。

调整逆变器开关频率,需要考虑到开关器件的最大开关频率。但当开关频率显著提高后,开关管的开关损耗迅速上升。目前,有效的解决方案是采用软开关技术。软开关技术利用电感与电容构成的谐振零电流、零电压开关来降低开关损耗[3]。

电容补偿类型如图3所示。

图3 电容补偿类型

3 ICPT系统控制策略分析

为提高ICPT系统的传输效率,需要选择合适的开关频率和松耦合变压器的电感参数。为降低开关管的开关损耗,高频逆变器采用基于ZCS软开关技术的控制策略。松耦合变压器的一次侧补偿电容、电感处于谐振状态,高频逆变器的输出电流为正弦波。当高频逆变器的电流过零时,通过改变开关管的控制信号,实现对开关管的零电流开关控制,以降低开关管的开关损耗,提高系统的传输效率。

采用ZCS软开关技术,逆变器的控制信号频率由RC振荡频率决定。开关管的开关频率为

(9)

式中:Lp——松耦合变压器一次侧电感;Cp——一次侧串联补偿电容。

4 ICPT系统仿真

对于非接触式电能传输系统,目前采用的模型分析理论主要有耦合模理论、互感理论和二端口网络[4]。其中,采用互感理论分析传输系统相对较简单,且应用比较广泛。

互感理论基于发射线圈和接收线圈之间的互感参数设定,来实现对非接触电能传输系统的仿真。 松耦合变压器互感理论模型如图4所示。

图4 松耦合变压器互感理论模型

根据互感理论和基尔霍夫定律,发射线圈和接收线圈回路的电压方程如下:

(10)

当电容一次侧电感Lp为54 μH、二次侧电感Ls为85 μH、互感M为55 μH、输入电压Udc为40 V、负载电阻RL为200 Ω时,不同开关频率时电容参数如表1所示。

表1 不同开关频率时电容参数

不同互感系数时主要参数如表2所示。

表2 不同互感系数时主要参数

5 ICPT系统仿真结果分析

不同开关频率时传输效率仿真曲线如图5所示,互感系数为55 μH。

图5 不同开关频率时传输效率曲线

由图5可知,当开关频率为10～40 kHz时,开关频率对系统的传输效率影响较大,提高开关频率,对提升传输效率明显;当开关频率为40～80 kHz时,开关频率对系统的效率影响较小,提高开关频率,对提升传输效率不明显;开关频率在60 kHz左右,传输效率达到峰值。因此,在系统设计时,可在40～80 kHz范围内选择合适的开关频率。不同互感系数时,电源输出功率、传输效率曲线如图6所示,开关频率为60 kHz。

图6 不同互感系数时电源输出功率、传输效率曲线

由图6可知,随着互感系数的增加,输出功率和传输效率明显提高;互感系数较小时,系统输出功率和传输效率较低;互感系数较大时,系统输出功率和传输效率较高。因此,在系统设计时,需要提高互感系数,以实现较高的传输效率。

6 结 语

理论分析了影响非接触式电能传输系统传输功率和传输效率的影响因素。利用互感理论搭建了基于MATLAB/Simulink系统仿真模型。仿真结果表明,非接触式电能系统在开关频率为40～80 kHz时,传输效率较高;在开关频率为60 kHz左右时,传输效率达到峰值;随着互感系数的增加,系统输出功率和传输效率明显提高。

[1] 陶成轩.非接触式电能传输系统的输出控制策略研究[D].重庆:重庆大学,2012.

[2] 陈珂睿,王泽忠,刘胜南,等.非接触式电能传输系统功率及效率影响因素[J].电网技术,2014,38(3):807-811.

[3] 张占松,张心益.高频开关变换技术教程[M].北京:机械工业出版社,2010.

[4] 黄学良,谭林林,陈中,等.无线电能传输技术与应用综述[J].电工技术学报,2013,28(10):1-11.

Study of Smart Charging Station Based on Inductively Coupled Power Transfer Technology

XIAXuke,LILiangguang,TIANXinghua,GENGXiaofeng,LIUZhenxin

(Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Aiming at the lower transmission efficiency in non-contact power transmission,this paper analyzed the factors which affect the transmission power and transmission efficiency of the non-contact power transmission system.Meanwhile,a system model which is based on MATLAB/Simulink simulation platform according to mutual theory was built to study the relationship between the switching frequency,the mutual inductance and transmission power,transmission efficiency at different values of mutual inductance and the switching frequency.The simulation results show that the transmission efficiency of the system reaches the peak value when the switching frequency is 60 kHz.

non-contact power transmission; inductively coupled power transfer(ICPT); mutual theory; soft switch

夏许可(1991—),男,硕士研究生,研究方向为非接触式电能传输技术。

2014年安徽理工大学学生科研基金资助项目(ZY141)

TM 912

A

1674-8417(2015)04-0001-04

2014-11-19

李良光(1960—),男,副教授,研究方向为电力电子技术。

田兴华(1989—),男,研究方向为开关电源技术。

耿晓峰(1992—),男,研究方向为电子信息工程。

刘振鑫(1992—),男,研究方向为电子信息工程。