电磁谐振式无线充电的S-P补偿拓扑研究*

李 静 赵 浩 雷 鸣 付永升

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710032)

电磁谐振式无线充电的S-P补偿拓扑研究*

李 静 赵 浩 雷 鸣 付永升

(西安工业大学电子信息工程学院 西安 710032)

基于谐振式无线充电技术的研究,论文对无线充电的谐振拓扑进行了深入的分析。常见的谐振拓扑共有四种,论文重点对S-P谐振拓扑进行了理论分析,与S-S谐振拓扑进行了比较,用Maxwell及Matlab软件对其进行了仿真验证。

无线充电; 谐振拓扑; 仿真验证

1 引言

近来,环保问题已经成了各国政府不可忽略的问题,人们对这糟糕透顶的雾霾天气已经忍无可忍。刚刚推出的十三五规划中对于环境问题的重视明显提升,可知清洁能源是以后发展的重点。电能作为清洁能源受到了国家的大力支持,电动汽车的无线充电避免了充电线、插头的磨损,又避免了人们直接接触电流,从而减少了触电的危险[1～5]。而且无线充电的过程极其方便,只要车底的电能接收线圈在发射线圈的传输范围内就可以充电。就像现在的智能手机通过WIFI上网一样方便,这大大方便了人们对电动汽车的续航需求[6]。无线充电常用有四种谐振拓扑,分别是串联-串联(S-S),串联-并联(S-P),并联-串联(P-S),并联-并联(P-P),文中主要对S-P补偿拓扑进行了Maxwell三维建模及Matlab仿真,研究发射和接受两端的补偿电容对系统传输效率的影响,与S-S补偿拓扑进行了比较。

2 电磁谐振式无线充电系统构成

本文的电磁谐振式无线充电系统如图1所示,主要包括发射端和接收端两大部分。发射端包括整流电路、高频全桥逆变电路、谐振线圈及谐振补偿电路及DSP控制电路;接收端包括另一谐振线圈与谐振补偿电路,以及整流滤波电路和负载电路。在充电系统中用直流电源DC=220V,我们所用的高频逆变电路是基于全桥逆变电路,其中高频逆变电路为线圈提供高频交变电压,驱动方波PWM是由DSP28335开发板的外围电路产生;发射电路采用电容串联补偿电路,接收电路采用电容并联补偿电路;整流电路采用全桥整流电路,发射和接收端用无线传输信息,负载电路包含功率检测。负载预期功率为100W。

图1 电磁谐振式无线充电系统构成

3 电磁谐振式无线电能传输模型

为了提高传输效率,需要对发射端和接收端的回路采取补偿措施,在这里利用LC电路的谐振原理。无线充电系统的谐振拓扑主要有四种,分别是串串(series-series)、串并(series-parallel)、并串(parallel-series)、并并(parallel-parallel),如图2所示。

图2 常用补偿方式

3.1 S-P拓扑分析

无线充电线圈的耦合性能受外界环境的影响较大,论文抓住重点因素,有针对性地进行改进,也可以很大程度上提升电能的传输效率,在这方面主要进行的工作是:

补偿拓扑结构的研究,接收端的并联谐振,适合给电池进行充电,发射端串联谐振,可以降低系统对电源电压额定值的要求[7],所以选择串并式模型(series-parallel)并对其进行分析。

图3 S-P补偿拓扑

图3中,V1为输入电源,R1,R2为等效电阻,设定为一样大;L1,L2为等效电感,M为线圈之间的互感;R3为负载电阻。Rs为电源内阻可以忽略。

根据电路图可以列出基尔霍夫电压方程:

(1)

其中:

(2)

(3)

由上式求出:

(4)

(5)

电源的输出功率和负载的接受功率分别为Pin,Pout。

(6)

(7)

(8)

初级回路的阻抗:

(9)

次级回路的阻抗:

(10)

Zref是次级回路在初级回路的反映阻抗,其中

(11)

在磁场中让初级回路和次级回路发生共振,R1,R2为电感自阻非常小可以忽略。次级回路发生谐振时,则有:

(12)

再把反应阻抗带入初级回路中,则Zi=Z1+Zref。初级回路发生谐振时,其阻抗的虚部为零Zref经过化简得:

(13)

(14)

3.2 S-S补偿拓扑分析

图4 S-S补偿拓扑

同理S-S补偿拓扑

(15)

(16)

(17)

(18)

4 Maxwell软件仿真

ANSYS Maxwell是用于电机、作动器、电感、变压器、磁性传感器等各种机电产品开发的电磁场分析工具。求解对象的电磁场分布可以直观地显示出来,具有自动计算电磁力、力矩、电感、电容等设计参数的功能。仿真结果可以方便地与实验结果进行对比。ANSYS Maxwell具有直观易用的GUI、自动自适应网格剖分求解器,确保稳定、高精度的求解,初学者也能与软件使用专家一样用简单的操作得到精确的分析结果。Maxwell 3D模型仿真步骤包括:选择求解器类型,建立3D模型,设置材料属性,设置边界条件,设置激励,网格划分,有限元计算和结果处理等。在Maxwell中仿真线圈,线圈选为铜(copper),线圈的半径为1.5mm,两线圈之间的空隙为2mm,线圈有二十匝,在静磁场中对线圈进行仿真。线圈的形状为平面螺旋结构,在仿真前我们对其进行微处理使两者各构成回路,在进行Y-Z面刨分并通入10A的电流,使其在真空环境下求解运行,最后处理得到如图5、6所示。

图5 平面螺旋线圈及其仿真磁感线走向图

图6 线圈错位距离、纵向距离及耦合系数的关系

从图5中可以看出磁场线符合右手螺旋定理,从软件的电感矩阵中得到线圈的电感值,其自感分别为L1=852.68μH,L2=587μH,互感为M=104μH。假设谐振频率为50kHz,通过串并式补偿中的式(12)、(14),可以得到其补偿电容的值。其中C1=1.3032e-8,C2=1.1871e-8。这个值和Matlab仿真的结果基本相似。图6是两线圈之间横向错位,纵向距离及耦合系数之间的关系,明显可以看出,随着线圈之间的横向距离及纵向距离的增大,线圈的耦合系数在减小。

5 Matlab仿真

在Matlab中对式(8)进行仿真,谐振频率是50KHz,负载为100Ω。让C1和C2分别为变量,得出关于传输效率的三维图。

图7中可以看出在效率(elta)与接收端补偿电容(C2)的二维平面中有许多曲线,每一条曲线都代表一个发射端补偿电容(C1)的值。当C1=1.3e-08F,C2=1.2e-08F时,负载为100Ω时传输效率可达98.52%。然而,C1=1.4e-08F,C2和负载不变时,传输效率为46.19%。就是说C1值的改变对传输效率的影响非常大。同理,C1不变,C2变化时,系统传输效率变化很小。

图7 S-P补偿拓扑传输效率三维图

图8 S-S补偿拓扑传输效率三维图

图8是S-S补偿拓扑的传输效率三维图,C1和C2都对传输效率有影响。

在其他条件相同,只有补偿方式不同的情况下,可以看到S-P补偿与S-S补偿的不同。

S-S补偿:C1值不变,C2值发生微小变化时,传输效率会发生较大变化;同样C2值不变,C1值发生变化时,也会对传输效率产生较大影响。

S-P补偿:C1值不变,C2值发生变化时,对传输效率影响不大;C2值不变,C1值发生变化时,会对传输效率产生很大影响。

6 结语

通过上面的理论公式,可以得到在S-S、S-P偿方式下,补偿电容的理论计算值。考虑到实际电路参数值会存在一定的误差,所以实际电容选取会以理论计算值为基准进行调试选择。可以看到Maxwell的仿真结果,发射线圈和接收线圈的电感值已经确定,通过补偿电容计算公式计算出其补偿电容值。我们在Matlab中仿真串并补偿拓扑的传输效率,把发射端和接收端的补偿电容作为变量,得出它们和传输效率的三维图,并把最佳补偿效率点的补偿电容标记出来,会发现它们的值和通过补偿电容计算公式计算出来的值极其相似。理论分析和实验结果表明:通过Maxwell和Matlab软件的仿真,验证了电磁谐振式无线充电系统的串并联拓扑的传输效率。在理想情况下(忽略电容电感的内阻)系统的传输效率大大提高。电磁谐振式无线充电通常传输功率较小,目前在电动汽车方面的应用较少,但可以预见的是,电磁谐振式由于其能量传输效率高将是无线供电领域的重要发展方向。

[1] 曹玲玲,陈乾宏,任小永,等.电动汽车高效率无线充电技术的研究进展[J].电工技术学报,2012,27(8):1-13. CAO Lingling, CHEN Qianhong, REN Xiaoyong, et al. High efficiency of Electricvehicle wireless charging technology research progress[J]. Electrotechnical Journal of,2012,27(8):1-13.

[2] 韩晓坤,仝卫国,宋凯兵.电磁谐振式的无线充电系统实验研究[J].仪器仪表用户,2015,22(4):26-28. HAN Xiaokun, TONG Wei, SONG Kaibing. Electromagnetic resonance type wireless charging system experimental study[J]. Instrument instrument users,2015,22(4):26-28.

[3] 翟渊,孙跃,戴欣,等.磁共振模式无线电能传输系统建模与分析[J].中国电机工程学报,2012,32(12):155-160. ZHAI Yuan, SUN Yue, DAI Xin, et al. Magnetic resonance mode of wireless energy transmission system modeling and analysis[J]. The Chinese Electrical Engineering Journal,2012,32(12):155-160.

[4] 傅文珍,张波,丘东元.共振耦合式无线电能传输电路模型及其效率分析[C]//第二届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集.杭州,2008:43-48. FU Wenzhen, ZHANG Bo, QIU Dongyuan. Resonance and coupling radio can transmission circuit model and its efficiency analysis[C]//Proc of the second session of the power electronics and electrical drive academic will proceedings. Hangzhou,2008:43-48.

[5] 强浩,黄学良,谭林林,等.基于动态调谐实现感应耦合无线电能传输系统的最大功率传输[J].中国科学:技术科学,2012,42(7):830-837. QIANG Hao, HUANG Xueliang, TAN Linlin, et al. Based on dynamic tuning for the realization of the maximum power transfer of inductively coupled radio energy Transmissionsystem[J]. Chinese Science: technical science,2012,42(7):830-837.

[6] 程丽敏,崔玉龙.磁耦合谐振式无线电能传输技术研究进展[J].电工电气,2012(12):1-5. CHENG Limin, CUI Yulong. Research progress of magnetic resonance radio energy transmission technology[J]. Electrical and Electric,2012(12):1-5.

[7] Boys J, Hu A, Covic G. Critical Q analysis of a current-fed resonant converterfor ICPT applications[J]. Electronics Letters,2000,36(17):1440-1442.

[8] Chen Linhui, Liu Shuo, Zhou Yongchun, et al. An Optimizable Circuit Structure for High-Efficiency Wireless Power Transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(1):339-349.

[9] Alanson P. Sample, David A. Meyer, Joshua R. Smith. Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer[J]. Proceedings of IEEE,2011,58(2):544-554.

[10] Miwa K, Mori H, Kikuma N, et al. A consideration of efficiency improvement oftransmitting coil array in wireless power transfer with magnetically Coupledresonance[C]//Wireless Power Transfer(WPT), 2013 IEEE. Perugia,2013:13-16.

[11] Keeling N A, Covic G A, Boys J T. A Unity-Power-Factor IPT Pickup for High-Power Applications[J]. Industrial Electronics, IEEE Transactions on,2010,57(2):744-751.

Resonant Wireless Charging Based on S-P Compensation Topology

LI Jing ZHAO Hao LEI Ming FU Yongsheng

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

This article is about the research of resonance wireless charging technology, for resonant topology of wireless charging have an in-depth analysis; common resonant topology is consists of four, and it relates to research of S-S and S-P resonant topologyin this article; currently people study S-S resonant topologymore, so not too much text analysisin article,it is analyzed theoretically that focusing on the S-P resonant topology, and with S-S resonant topology compared; its simulation verified by Maxwell and Matlab software.

wireless charging, resonant topology, simulation verification Class Number TM724

2016年10月3日,

2016年11月21日

西安工业大学校长基金(编号:XAGDXJJ15013)资助。

李静,女,博士,教授,研究方向:测控技术与智能控制。赵浩,男,硕士研究生,研究方向:通信工程,无线输电。雷鸣,男,硕士研究生,研究方向:智能控制与应用。付永升,男,硕士研究生,研究方向:电力电子系统。

TM724

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.04.016