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电动汽车无线充电系统LCL-S型补偿拓扑研究

2024-12-27 138 上传者：管理员

摘要：在电动汽车无线电能传输系统的研究中，针对高频逆变环节后出现的谐波问题，提出了一种基于LCL-S型补偿方法。分析了LCL型补偿网络的恒流特性和补偿后输入阻抗呈电阻性，使系统的功率因数提高且系统的传输特性更加稳定高效。利用Maxwell和MATLAB与Simplorer对补偿环节拓扑的选取进行联合动态仿真验证。仿真结果表明，LCL-S补偿后的仿真波形图更加稳定。研究表明电动汽车无线充电LCL-S型补偿拓扑下的系统传输特性良好。

关键词：
LCL-S
恒流特性
无线电能传输
联合仿真
补偿网络
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在实现双碳目标的过程中,电动汽车因其少排放､使用绿色能源的特点在全球得到广泛的发展和应用｡无线充电作为电动汽车发展链上的重要一环,有助于推动电动汽车智能化的发展｡目前,电磁感应式､微波辐射式､磁耦合谐振式､激光式和无线电波式是无线充电电能传输的主要方式｡磁耦合谐振式有较大的传输功率､对位置不敏感等特点[1]｡针对无线传输中的耦合器呈电感性,将造成无线传输系统的功率因数降低,使系统的传输效率降低的问题,提出了一种 LCL-S 型的补偿方式｡利用有限元仿真和实验得出 LCL-S 补偿形式一次侧发射线圈电流大小与负载无关只与输入电压和发射线圈电感大小有关,故处于恒流模式且补偿后的电路呈电阻性,提高了系统的性能[2-3]｡

1、LCL-S 型补偿网络工作特性

系统选用发射侧发射线圈先并联补偿电容再串联补偿电感,接收侧串联补偿电容的形式,构成主电路谐振补偿网络｡简化结构图如图 1 所示｡

图1 LCL-S 型感应电能传输系统拓扑结构

图1 中,Lp､Cp､Ip､Ls､Cs､Is 分别为无线电能传输系统主电路的发射线圈电感､电容､电流和接收线圈电感､电容､电流;M 为互感;Ui 为高频逆变后的输入电压有效值,U0 为负载侧交流输出电压有效值｡

设LCL-S 谐振电路的谐振频率为 ω0,且系统处于完全谐振状态,则逆变后得到的交流电压 Ui 可直接考虑电压的基波分量,公式为

则感应式无线电能传输系统的输入阻抗为

式中,等效电阻 Req 为接收侧线圈折算到发射侧的

反应阻抗和发射线圈内阻之和,即

将式(2)-式(4)同时带入输入阻抗公式中,得到输入阻抗的简化公式为

由式(7)可以看出,当 i p a = =1 L L 时,LCL 感应电能传输系统的输入阻抗呈电阻性,即输入端电流的表达形式为

补偿电容Cp 的端电压,即发射线圈的端电压 Ucp 的表达形式为

由式(9)可得流经发射线圈 Lp 的电流表达式为

由式(10)可以看出,一次侧发射线圈电流大小与负载无关,只与输入电压和发射线圈电感大小有关,故处于恒流模式｡

2、Maxwell 和 MATLAB 与 Simplorer 联合仿真

2.1 Maxwell 模型搭建

对无线电能传输线圈的动态分析使用Maxwell 和 MATLAB 与 Simplorer 仿真软件进行联合仿真分析完成｡

当Maxwell 和 MATLAB 与 Simplorer 进行联合仿真时,Maxwell 主要对发射线圈､接收线圈进行电磁仿真,使用 Maxwell 对平面空心线圈建立 3D 动态场模型,线径为 4 mm,内径为 50 mm,节距为 10 mm,匝数为 13 匝,激励源改为外部激励[4]｡

由仿真得到系统的发射线圈和接收线圈的电感值分别为L1=L2=38.97 μH,设系统的工作频率为 20 kHz,补偿电感 Li 和发射线圈的电感值相同, 所以补偿电感为 38.97 μH,补偿电容 C1=C2=1.62 μF｡

2.2 线圈 LCL-S 外围电路和驱动电路设计

发射侧和接收侧的补偿电路分别选用的是发射侧LCL 型补偿､接收侧串联补偿电容进行补偿, 负载选用一个 10 Ω 的电阻｡Simplorer 主要搭建外围电路并同时将 Maxwell 和 MATLAB 与 Simplorer 连接起来;MATLAB 主要完成控制部分｡因设置系统的工作频率为 20 kHz,则周期为 50 μs,选取 5 个周期进行仿真,仿真步长为 2.5 μs;联合仿真如图 2 所示｡

图2 Maxwell 和 MATLAB 与 Simplorer 联合仿真

外围电路图如图2(a)所示,控制部分主要采用移相控制,控制电路图如图 2(b)所示,从图中示波器 1 的移相控制的驱动图可知,G1 与 G2 之间的移相占空比为 4:5,即占空比为 0.8｡

2.3 两线圈轴向间距的联合仿真分析

通过Maxwell 的坐标平移法,对发射线圈与接收线圈之间的轴向距离进行设置,对仿真模型的轴向间距距离设置为 50 mm,仿真模型进行联合仿真｡以轴向相距距离 50 mm 为例,分别带入 Simplorer 的外围电路中进行联合仿真,得到发射线圈和接收线圈耦合以后,发射与接收线圈上的电流电压波形对比图分别如图 3(a)､图 3(b)所示｡

图3 联合仿真波形图

从图3 可知,系统经过 LCL-S 滤波过后电压电流的波形图相更接近正弦波,仿真波形图更加稳定,因此选取 LCL-S 型补偿网络作为系统的补偿环节[5]｡

3、恒流特性验证

为验证发射线圈理论上的恒流特性,分别在不同传输距离和不同负载的条件下进行了实验验证 , 其恒流试验参数为 : 系统的工作频率为 20 kHz;直流电压为 100 V;发射､接收线圈的电感和电容分别为 79.9 μH､0.79 μF､79.8 μH､ 0.79 μF [6]｡分别选取 3 组数据进行实验:1)负载为 4 Ω,传输距离为 50 mm;2)负载为 4 Ω,传输距离为 100 mm;3)负载为 2.4 Ω,传输距离为 100 mm,上述 3 组实验发射线圈的电流波形图如图 4 所示｡

图4 三种情况下发射线圈的电流波形图

实验结果可知,由导线绕制成的耦合线圈之间的相对位置不变､负载变化时,发射线圈上的交变电流随着耦合线圈之间的距离的增大保持不变,验证了恒流特性;发射线圈电流对负载的变化也不明显,基本保持恒定,同样也验证了恒流特性｡

4、结论

LCL-S 型补偿拓扑结构虽然复杂,但是稳定性好､传输功率高｡最后,通过试验样机的搭建, 验证了电动汽车无线充电使用 LCL-S 型电磁感应传输时,当耦合线圈之间的相对位置不变､负载变化时,发射线圈上的电流随着耦合线圈之间的距离的增大保持不变,验证了系统的恒流特性｡因此,电动汽车无线充电 LCL-S 型补偿拓扑下的系统传输特性良好｡

参考文献:

[1]吴理豪,张波.电动汽车静态无线充电技术研究综述 [J].电工技术学报,2020,35(6):1153-1165.

[2]艾永乐,胡晓齐,刘群峰,等.基于电场耦合式的电动汽车无线充电系统[J].武汉大学学报(工学版),2021, 54(11):1037-1043.

[3]贾金亮,闫晓强.磁耦合谐振式无线电能传输特性研究动态[J].电工技术学报,2020,35(20):4217-4231.

[4]周玮,蓝嘉豪,麦瑞坤,等.无线充电电动汽车 V2G 模式下光储直流微电网能量管理策略[J].电工技术学报,2022,37(1):82-91.

[5]尹有为,赵金伟,李磊,等.基于 SS 拓扑的无线电能传输偏移特性研究[J].电力电子技术,2021(5):73-77.

基金资助:宿迁市科技计划项目(Z2021134)(Z2021141);

文章来源:刘洁,宋安然,陈莹.电动汽车无线充电系统LCL-S型补偿拓扑研究[J].汽车实用技术,2024,49(24):11-14.