串-串谐振式无线充电系统设计与仿真

付永升，雷 鸣，赵 浩，巩兆伟

(西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021)

串-串谐振式无线充电系统设计与仿真

付永升，雷 鸣，赵 浩，巩兆伟

(西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021)

针对无线充电传输效率低及其变化率大的问题，本文基于串联谐振补偿拓扑原理，通过分析无线充电系统输出功率与传输效率影响因素，提出应用于电动汽车的无线充电系统的频率跟踪方法，建立无线能量传输耦合线圈，利用LTspice搭建无线充电系统T模型等效电路.仿真结果表明：斩波频率大于谐振频率时，系统实现软开关技术，减小开关损耗增大系统传输效率.当谐振频率为50kHz选择斩波频率为51kHz时输出功率为1kW时传输效率达92%.

谐振；无线充电；耦合线圈；斩波频率；软开关

基于环境改善的需求发展纯电动汽车是全世界的必然趋势，而充电技术作为电动汽车的核心配套行业，它的技术预研决定了国家以后在该领域的技术话语权.因此在电动汽车领域需要一种安全可靠，占地资源小，能长久给予电动汽车能量的技术是具有深远的经济和现实意义[1-2].无线充电又被称为无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT),随着科学技术的发展无线充电技术作为一个新的充电技术，该技术应用于电动汽车的热潮引起了广大研究学者的关注[3].

文献[4]中通过在不同环境下对插电式充电与无线充电的对比得出无线充电技术更方便、安全，并能更好的适应与恶劣环境中.文献[5-7]设计出了效率较高的无线充电系统，其功率可到3 kW，但其功率密度小，系统传输效率较低.因此实现系统软开关ZVS技术，以减小开关损耗提高系统的传输效率是无线充电系统的主要研究方向.文献[8]中采用了具有强耦合能力的两个线圈通过加入合适的谐振补偿电容，以达到发射线圈(原边)与接受线圈(副边)谐振的目的.文献[9]中提出的串-串与串-并谐振拓扑适用于大功率的无线电能传输，并提出串-串谐振拓扑与串-并谐振拓扑相比，其需要的线圈更少，但在串-串谐振拓扑中未实现软开关技术.文献[10]提出谐振式无线充电系统都采用对称式谐振拓扑结构，并指出串-串谐振拓扑视为最好的谐振拓扑，因为此系统的传输效率仅依靠于耦合线圈的耦合系数与负载特性.文献[11]中提出串-串谐振拓扑为大功率无线传输系统中最佳谐振拓扑结构，其原边与副边对称，传输功率仅与耦合线圈的耦合系数与负载特性相关.文献[12]中主要分析了串-串谐振拓扑在不同特性负载下的软开关特性，研究了充电功率的控制方法.提出了变压式无线充电输出功率控制方法与变频式无线充电输出功率的控制方法，变压式输出功率控制方法能连续的调节输出功率稳定性好，但其控制电路复杂且增加了系统损耗.变频式输出功率输出方法控制简单，但输出功率跳跃较大，其都有各自的优缺点.

本设计主要研究串-串谐振式无线充电系统，建立具有最大耦合系数的耦合线圈并搭建相应的充电电路，通过仿真与分析研究无线充电系统中提高系统传输效率的控制方法，以确保系统在不同环境中具有较高的传输效率.

1 串-串无线充电谐振拓扑

常用的谐振式电能传输拓扑结构可分为四类：串-串(S-S)谐振拓扑、串-并(S-P)谐振拓扑、并-串(P-S)谐振拓扑、并-并(P-P)谐振拓扑.其中串是指补偿电容与线圈以串联的方式连接，并是指补偿电容与线圈以并联的方式连接.谐振电容的大小主要决定于线圈参数与系统斩波频率，而实际中线圈大小需要根据传输功率与放置空间的大小来确定.

如图1(a)是电容电感串联谐振组成的无线传输拓扑模型.Cp、Lp分别是原边的谐振电容电感，Cs、Ls分别是副边的谐振电容电感，M是线圈Lp和线圈Ls的互感系数.由其组成的无线传输系统T模型等效电路如图1(b).电源为DC输入，L1为原边线圈的漏感，Lm原边与副边线圈的互感，L2为副边线圈的漏感.其等效变压器模型可视为图1(c)所示.

图1 无线充电系统模型分析

如图1(c)假设Z1为原边线圈的总阻抗，Z2为副边线圈的总阻抗，Zm为原边线圈与副边线圈的互阻抗，则可得出公式(1)～(4).

(1)

(2)

Xm=w*Lm

(3)

Zm=j*w*Lm

(4)

式中：R1为原边线圈Lp的内阻；R2为副边线圈Ls的内阻；RL为负载.Cp和Cs分别为原边和副边的谐振电容.由变压器原理可知其基尔霍夫电压方程如式(5)：

(5)

其中电流I1为流过原边线圈的回路电流，I2为流过副边线圈的回路电流，Uin为等效输入电压.由方程(5)可知原边线圈回路电流与副边线圈回路电流可表示如式(6)：

(6)

根据文献[13]可知系统的输入功率与输出功率可由方程(7)-(8)表示，如式：

电路输入的总功率：

(7)

电路输出的总功率：

(8)

所以电路的总效率

(9)

如果改变系统的斩波频率使原边与副边同时谐振则

Z1=R1,Z2=R2+RL

(10)

所以当电路发生谐振并且负载与线圈一定的情况下电路的传输效率只与线圈的互感有关，互感越大传输效率越高.因此设计具有最大耦合系数的耦合线圈模型是提高系统传输效率的重要内容.

2 耦合线圈模型设计

由方程(10)可知当电路发生谐振并且负载与线圈一定的情况下电路的传输效率只与线圈的互感有关，互感越大传输效率越高.因此需要找出在线圈面积和线圈间距一定的情况下耦合系数较大的线圈模型.而无线充电系统中影响互感大小的不仅与线圈之间的距离有很大的关系，并且与线圈的面积有直接的关系，根据磁场耦合原理可知：在使用相同的导线形成线圈时，线圈的面积越大互感值越大，互感系数也越大.因此一般的无线充电系统中常常为了提高系统的传输效率都在所允许的空间内设置最大面积的线圈.文献[13]中分析了水平面环绕的线圈模型与逐层叠加缠绕的线圈模型两种线圈模型，并指出在线圈所占水平面积相同时水平缠绕的线圈耦合系数比逐层叠加缠绕的线圈耦合系数高.因此本设计建立了水平缠绕方式的耦合线圈，并以纯电动公交汽车为目标设计了直径80cm的圆形线圈，发射端与接收端垂直距离为20cm，并且发射端导线直径3mm，线间距0.5mm；接收端线直径2.5mm，线间距0.5mm；发射端与接收端个40圈.使用Ansys/Maxwell有限元分析软件设置线间距、导线直径、线圈距离等参数，通过仿真提取线圈参数为：反射端线圈自感：1 304.9μH、接收端线圈自感：1 363μH、互感：366.57μH、互感系数：27.486%.为了宏观显示所设计的线圈在通交流电情况下磁力线的走向趋势，通过有限元分析软件Ansys/Maxwell给所设计的线圈注入50kHz的高频交流信号，其磁力线的走向趋势如图2所示，磁场强度如图3所示.

图2 耦合线圈磁力线方向

图3 耦合线圈磁场强度分布图

如图3所示耦合线圈的磁场强度分布图是将发射与接受端线圈按垂直面截开所显示的磁场强度.由图2和图3可知耦合线圈内部及线圈附近磁场强度最大，耦合系数最高.因此在线圈几何尺寸确定的情况下要使采用增加导磁材料有效的增大耦合线圈的耦合系数时，可将导磁材料放置于线圈外边缘，增大线圈边缘的导磁性，以提高线圈的整体耦合系数，进而增大系统的传输效率.

3 电路仿真

对于串-串谐振拓扑结构，不同的系统开关频率不仅直接影响着系统输出功率的大小，并且影响着系统的总损耗.因为不同的开关频率决定了系统工作于软开关状态或硬开关状态，因此需要选择合适开关频率以减小系统的总损耗.故对该系统变压器等效电路做扫频处理，系统总阻抗与相位在不同开关频率下的特性如图4所示.

从图4中可以看出，串-串谐振拓扑结构中随着开关频率的变化，系统总的等效阻抗也会发生变.而发生谐振即阻抗为零的谐振点有两个，分别为谐振电容与线圈漏感的谐振和谐振电容与线圈自感的谐振.在串-串谐振拓扑结构时，选择谐振电容与线圈漏感的谐振点位系统的谐振点.当系统斩波频率远离谐振频率时，电路的总阻抗变大，相应的输出功率也不断的减小，并且系统的传输效率也会越低.为使系统能安全可靠的工作，本设计中选择50kHz的斩波频率为谐振点.当系统斩波频率与谐振频率相等时系统可以获得最大的输出功率，效率亦为最高.但为使系统工作在软开关的状态下以减小开关损耗降低炸管的风险，本设计中选择大于50kHz的斩波频率，且此斩波频率可改变.

根据图4得知阻抗和相位与开关频率的关系，选择合适的开关频率并根据所设计的线圈参数，无线充电系统T等效仿真电路图如图5.其采用直流电压源V5，310V模拟220V，50Hz经过整流之后的直流电源.直流电流源V6模拟48V被充电电池连接至滤波之后的输出端.

图4 系统总阻抗与相位 VS.开关频率

如图5所示：其由四个Mosfet(如图中M1,M2,M3,M4)组成全桥逆变电路，脉冲电源V1-V4分别驱动4个Mosfet，驱动频率为50 kHz至55 kHz可调以便控制不同的充电需求.电感L6与电感L3

图5 S-S无线充电系统T等效仿真电路

组成发射端线圈，并与电感L7组成接收端线圈，电感L6为发射线圈与接受线圈之间的互感，该值由有限元分析软件Ansys/Maxwell仿真提取.电容Cr1与Cr2分别为发射端线圈与接受端线圈的补偿电容，以使系统达到谐振的目的，该值分别由公式(1)与公式(2)得出.二极管D1～D8组成逆变之后高频信号的整流.仿真结果如图6所示.

由图7(a)可知，充电系统工作于软开关ZVS状态.由7(b)图可知，充电功率大约为1 000 W，并且系统暂态时间短，大约11 ms进入稳定状态，充电波形平稳保证了系统的安全可靠运行.

图6 系统仿真波形

图7 线圈位移示意图与耦合系数VS相对位移

4 充电参数分析

在实际操作中，发射端线圈安装与地面上，接受线圈安装于汽车底盘.由于停车位置差异发射线圈与接收端线圈不能完整无误的对准，因此在实际中发射端线圈与接收端线圈会产生相对的位移，此时耦合线圈的耦合系数将随着相对位移的作用而发生变化，如图7所示.

由于本设计采用直径80 cm圆形线圈，在汽车底盘与地面距离确定时线圈之间产生的相对位移来源于x方向位移与y方向位移，其如图7(a)所示.由于线圈的对称性因x与y方向形成的位移对线圈耦合系数的影响完全相同，其仿真结果如图7(b)所示：无偏移时有最大耦合系数27.48%，当偏移15 cm是耦合系数减小至22.5%.

谐振式无线充电系统中，系统传输效率与传输功率主要的影响因数为线圈的耦合系数.当停车时发射线圈与接受线圈产生相对位移时，系统的传输效率与输出功率也会随着发生变化，其仿真结果如图8和9所示.

如图8和9所示结果；当系统斩波频率为51 kHz时，在不同相对位移情况下系统传输效率与输出功率之间的关系.相对位移为0 cm时充电效率最高可达92%，此时充电功率也最大982 W.随着发射线圈与接受线圈之间的位移变化，系统的传输效率与充电功率均下降，相对位移越大传输效率与充电功率亦越小.主要原因在于随着相对位移的增大，线圈的耦合系数减小，因此线圈之间的互感减小，原本以谐振频率50 kHz选择的谐振补偿电容因为互感与漏感的改变而不再使在同一个频率点上谐振，因此系统的总阻抗变大，传输的能量减小，传输效率也减小.

图8 充电效率VS相对位移曲线图

图9 充电功率与相对位移曲线图

5 结 论

本设计主要研究了适用于电动汽车的串-串谐振式无线充电系统，通过仿真分析了系统传输效率与输出功率随线圈相对位移的变化曲线.并指出要使系统能高效稳定的充电，可通过频率跟踪方法控制斩波频率以选择合适的斩波频率实现ZVS，减少系统损耗提高系统传输效率.为增大系统的传输效率增大输出功率，在未来的线圈设计中可加入相应的导磁材料增加线圈的耦合系数，并采用多股利兹线可在大电流的情况下减小线圈上的传输损耗，以进一步增大系统的传输效率.

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(责任编辑、校对 张立新)

Design and Simulation of a Wireless Charging System Based on Series-Series Resonant

FUYongsheng,LEIMing,ZHAOHao,GONGZhaowei

(School of Electronic Information Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

The wireless charging system has the disadvantages of low transfer efficiency and high changing rate of output power.To solve these problems,the paper,based on Series-Series Compensated resonant topology,presents a frequency tracking control method (FTC) for electric vehicles.Based on the analysis of the factors influencing output power and transmission efficiency,the coupling coils were designed and the equivalent T model was built by using LTspice.The simulation result shows that the system achieves ZVS when the switching frequency is higher than the resonant frequency with the switching loss reduced and the system transmission efficiency increased,and that the transmission efficiency is up to 92% when the system output power is 1kW with the resonant frequency being 50kHz and switching frequency being 51kHz.

resonant wireless charging;coupling coil;chopping frequency;soft switch

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.11.006

2016-07-20 基金资助：陕西省科技厅工业攻关(2016GY-126);西安工业大学校长基金(XAGDXJJ15013)

付永升(1987-)，男，西安工业大学助教，主要研究方向为电源设计，检测与自动控制.E-mail：fys060409@126.com.

TM92

A

1673-9965(2016)11-0891-06