混沌调制技术降低无线充电系统EMI水平研究

高金峰，余 亚，张旭辉 ，司丞坤

(1.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001； 2.奇瑞汽车股份有限公司博士后科研工作站，安徽 芜湖 241000； 3.三门峡供电公司，河南 三门峡 472000)

GAO Jinfeng1, YU Ya1, ZHANG Xuhui2, SI Chengkun3

(1. School of Electrical Engineering, Zhengzhou university, Zhengzhou 450001, China; 2. Chery Automobile Postdoctoral Working Station, Wuhu 241000, China;3.Sanmenxia Power Supply Company, Sanmenxia 467001, China)



混沌调制技术降低无线充电系统EMI水平研究

高金峰1，余 亚1，张旭辉2，司丞坤3

(1.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001； 2.奇瑞汽车股份有限公司博士后科研工作站，安徽 芜湖 241000； 3.三门峡供电公司，河南 三门峡 472000)

定频PWM(pulse width modulation)控制模式下发射/接收线圈电流频谱能量集中，导致对外电磁干扰水平较高.将混沌载频调制技术应用在电动汽车无线充电系统的高频逆变器中.这种调制技术能够展宽发射/接收线圈的电流频谱，将相同的传输能量类似随机地分布在不同的频线上，从而改善空间电磁场的频率谱，降低了无线充电系统对外电磁干扰水平.计算机模拟和实验结果都证明了方法的有效性.

定占空比混沌载频调制；无线充电；电磁干扰；高频逆变器

0 引言

发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的需求，无线充电是电动汽车充电技术的发展趋势[1-2].无线充电系统发射/接收线圈存在高频交流，其产生的电磁干扰(EMI)是设计者需要重点关注的问题.对于标准PWM控制方式，无线充电系统逆变器输出电流的频谱是离散谱，它的能量集中在开关频率及倍频处.因此，对外的电磁辐射水平较高，难以满足电磁兼容性的要求.

目前，利用通信工程中的扩频技术降低EMI的方法备受关注.其基本思想是，通过调制信号频率，将集中在各次谐波处的能量扩展到宽范围的边带内，消减了谐波峰值，从而降低对外电磁干扰水平[3].采用不同的调制函数，扩频技术可分为：周期调制技术[4]、随机调制技术、混沌调制技术等.周期调制是使用周期函数作为调制信号，调制后边带内频谱是离散的，频谱峰值抑制能力弱.随机调制和混沌调制后信号频谱是连续的，降低EMI效果较好.但随机调制技术所使用的理想随机信号难以获取，混沌信号是一种易于获取的类随机信号.大量文献研究表明混沌调制技术能有效降低EMI水平[5-7].文献[7]给出了定占空比混沌载频调制(CCFMFD)模式在降低BUCK型直流变换器输出电流峰值上作用明显的结论.

笔者介绍了CCFMFD模式的原理与实现方法.在保证无线充电系统负载端输出电压、输出功率、输出效率不变的情况下，对比分析了标准PWM、CCFMFD两种方式下发射线圈中电流的频谱.计算机模拟和实验验证了该方法在降低无线充电系统电磁干扰上的有效性及实际系统的可实现性.

1 无线充电系统等效模型

图1是无线充电系统结构图.发射线圈和接收线圈等效成一个松耦合变压器[8].L1是发射线圈等效电感，L2是接收线圈等效电感，M是两个线圈间的互感.R1与R2分别是发射线圈和接收线圈在高频下的等效电阻.为了提升功率传输能力、减小对电源视在功率的要求，系统采用原边串联、副边并联型补偿结构，串联电容C1和并联电容C2使发射线圈和接收线圈工作在谐振或接近谐振的状态[9].二极管D1、D2、D3、D4组成全桥整流电路，C3为滤波电容，RL为负载电阻.无线充电系统的工作原理是，直流电经全桥逆变电路转变为高频交流，然后通过发射线圈以电磁能的形式发送出去.通过磁场耦合，接收线圈将来自发射端的磁场能量转换成电能，再经过整流滤波后对负载供电.

图1 无线充电系统结构图

2 定占空比混沌载频调制

混沌信号具有内在随机性、连续谱的特征，且易于获取、实现.文献[7]用混沌信号代替随机信号，形成了4种混沌开关模式.其中CCFMFD模式表示开关信号在每个周期内具有恒定的占空比，而周期(或载频)是混沌变化的，中心频率与标准PWM方式下的固定频率一致.这种调制方式将原本集中在开关频率及倍频上的能量扩展到一个更宽的频带上，使信号频谱由离散谱扩展为连续谱.因此，在信号总功率(能量)相同的前提下，减小了频谱中的谐波峰值，相应的降低了EMI水平，更易于符合国际EMC规范[10].

笔者使用C-MEX S函数[11]编写了逆变器开关信号发生模块.图2为Logistic混沌信号波形.Logistic映射是一种常用的混沌模型，迭代公式简单，易于实现.基于Logistic映射的混沌调制技术是一种软件手段，这种技术不需要增加硬件，便可以达到降低电磁干扰的目的，具有经济性.将Logistic映射迭代产生的混沌序列，叠加到标准PWM开关信号上，产生频率跟随混沌序列一起变化的开关信号.Logistic映射迭代公式为

Xn+1=k×Xn×(1-Xn).

(1)

取k=4，X具有遍历性，X∈(0,1).

CCFMFD模式下逆变器开关频率可以表示为

f=f0+2×(X-0.5)×Δf.

(2)

式中:f0为中心频率；X为混沌序列；Δf为频率最大偏移量.

为了更好的研究Δf对扩展频谱的影响，引入频率抖动宽度，定义为

(3)

当ζ=0时，系统工作于标准PWM方式；当ζ≠0时，系统工作于CCFMFD模式.

图2 Logistic混沌信号波形

3 计算机模拟与实验结果分析

在MATLAB/simulink平台上对无线充电系统进行仿真.仿真参数如下：直流电源Edc=60 V，发射线圈等效电感L1=7×10-4H，发射端串联补偿电容C1=10 nF，接收线圈等效电感L2=6.18×10-5H，接收端并联补偿电容C2=100 nF.滤波电容C3=2 000 μF，负载RL=65 Ω.开关频率为64 kHz，占空比取0.5，采样时间为1.562 5×10-7s.

根据文献[12]可知，采用串-并联补偿的无线充电系统简化模型的传递函数为

图3为无线充电系统简化模型的幅频特性曲线，横轴为归一化频率，以64 kHz为基准.可以看出，幅频特性曲线在较宽的频带范围内变化很小.以此作为参考，选择合适的频率抖动宽度，混沌调制技术对系统的影响也就较小.

图3 无线充电系统幅频特性

令ζ=0，系统工作于标准PWM方式，无线充电系统逆变器开关频率固定为64 kHz，占空比为 0.5.令ζ=0.025、0.05、0.1，系统工作于CCFMFD模式，开关频率在64±Δf(kHz)范围内混沌变化，占空比保持0.5不变.

图4为ζ=0、0.025、0.05、0.1时无线充电系统逆变器输出电流频谱.横坐标对应的是谐波次数，纵坐标为各次谐波的幅度，以PWM模式下基频处峰值为基准.如图4(a)所示，由于采用了标准PWM方式，无线充电系统逆变器输出电流频谱呈离散状态，具有较高的谐波峰值，对外的电磁干扰比较严重.从图4(b)、(c)和(d)可以看出，相比于标准PWM方式，CCFMFD模式下逆变器输出电流频谱从离散谱拓宽为连续谱，倍频处的

谐波峰值均有降低.随着Δf的增大，谐波频谱变得更加“连续、均匀”，峰值降低的幅度也越大.

表1为标准PWM模式和CCFMFD两种模式下1～19次谐波频谱峰值的分贝值比较结果，ζ=0.05.从表1中可以看出，在CCFMFD模式下，逆变器输出电流各奇次谐波邻域内的峰值都有不同程度的降低.其中，频谱中基频处的峰值降低了约34%.

图5为不同ζ下,负载电压波形和传输效率曲线对比，ζ依次为0、0.025、0.05、0.1.效率计算公式为

(5)

图4 不同ζ下输出电流频谱

表1 CCFMFD和PWM相比峰值减小的值

式中：u2、i2分别代表输出电压和输出电流；u1、i1分别代表输入电压和输入电流.

图5 不同ζ下效率曲线和负载电压波形

当ζ=0.025、0.05时，负载电压和效率均有微小的波动，但与标准PWM下的情形几乎相等.当ζ增大至0.1时，负载电压下降，功率输出减小，系统效率有少许降低.仿真发现，当ζ=0.05时，谐波频谱峰值已经有较大幅度的降低，此时的频率抖动对系统输出影响较小，因此，ζ=0.05是一个合适的选择.

实验中使用TMS320F2812控制器中事件管理器(EV)模块实现了标准PWM和CCFMFD两种开关模式，对电动汽车无线充电系统发射线圈电流对外电磁干扰问题进行了研究.图6(a)为标准PWM模式下电动汽车无线充电系统的实验波形和频谱.图6(b)为CCFMFD模式下电动汽车无线充电系统的实验波形和频谱.在图6(a)和(b)中，通道2(i1)显示的是无线充电系统发射线圈电流波形，通道3(u1)显示的是无线充电系统逆变器输出电压波形，最下面的是无线充电系统发射线圈电流对应的频谱，频谱的纵坐标为各次谐波对应的分贝值.显然，采用混沌调制后，发射线圈电流频谱“毛刺”减少，谐波峰值降低，即集中的能量被分散到更宽的频带上.由于ζ的选取较合适，使用混沌调制后，充电系统的输出性能变化不大.实验证明了应用混沌调制技术降低EMI的有效性.

图6 实验波形和频谱

4 结论

提出将混沌调制技术应用于降低电动汽车无线充电系统电磁干扰水平.仿真和实验结果均表明：① CCFMFD模式能拓宽各次谐波频谱，有效降低各次谐波频谱峰值；② 可以结合幅频特性曲线选择合适的ζ，既能尽可能地降低电磁干扰，又能保证无线充电系统的工作稳定.总体来说，对于对电磁干扰要求严格的电动汽车无线充电系统，混沌调制技术在降低EMI增强EMC上具有较大的应用价值.

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Research on Suppressing Electromagnetic Interference Level of Wireless Charging System by Using Chaotic Modulation Technology

In the PWM control mode with fixed frequency, the concentrated energy of current spectrum in transmitting/receiving coil resulted in the high level of external electromagnetic interference. This paper applied the chaotic carrier-frequency modulation with fixed-duty cycle to the high-frequency inverter of wireless charging system in electric vehicle. The modulation technique could broaden current spectrum of transmitting/receiving coil, randomly-like distributed the same transmission energy over different frequency lines, thus improving the frequency spectrum of electromagnetic field in space and reducing the level of external electromagnetic interference of wireless charging system. Both simulation and experimental results are given to support the validity of the method.

CCFMFD; wireless charging; EMI; high-frequency inverter

GAO Jinfeng1, YU Ya1, ZHANG Xuhui2, SI Chengkun3

(1. School of Electrical Engineering, Zhengzhou university, Zhengzhou 450001, China; 2. Chery Automobile Postdoctoral Working Station, Wuhu 241000, China;3.Sanmenxia Power Supply Company, Sanmenxia 467001, China)

2016-02-17；

2016-06-13

上海市宝山科委产学研合作项目(CXY-2012-40)

高金峰(1963—)，男，河南项城人，郑州大学教授，博导，主要从事非线性理论与功率电子学等研究， E-mail：jfgao@zzu.edu.cn.

1671-6833(2016)05-0062-05

TM464

A

10. 13705/j. issn. 1671-6833. 2016.05.012