田 迪 ，田成林，李建良

（長安大學(xué)，陜西 西安 7 10064）

中頻磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)特性研究

田 迪 ，田成林，李建良

（長安大學(xué)，陜西 西安 7 10064）

無線充電是一個(gè)新型的充電方式，是未來電能作為動力源的一個(gè)必然發(fā)展方向。針對諧振式無線充電方式，采用建模分析的方法，利用PSpice進(jìn)行仿真，通過改變諧振頻率對無線充電性能及效率進(jìn)行分析。結(jié)果顯示中頻磁耦合諧振有良好的充電效率和經(jīng)濟(jì)性。

無線充電；諧振頻率；PSpice

0 引言

電動汽車是未來替代現(xiàn)有燃油汽車的一個(gè)必然方向，近些年來在電池以及充電方式上有各種各樣的研究以及改進(jìn)，其中一個(gè)制約電動汽車發(fā)展的瓶頸就是汽車充電問題。磁耦合諧振式[1]是利用電流通過線圈產(chǎn)生同頻率的磁場共振實(shí)現(xiàn)無線充電。磁耦合諧振在無線充電方面和其余方式相比有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它一般可以允許發(fā)射端和接收端相隔數(shù)十公分以上，這可以完美應(yīng)用于汽車底盤和地面的無線充電形式上。目前來說，低頻的無線充電距離較短，而高頻無線充電所需功放輸出率較小、成本高，目前尚不具備實(shí)用性，因此中頻將是近年來研究的一個(gè)重要頻率范圍。本文針對中頻磁耦合諧振的一些特性做一些研究，說明中頻磁耦合諧振的優(yōu)點(diǎn)。

1 磁耦合諧振式無線充電的原理分析

1.1 基本耦合原理分析

磁耦合諧振式無線充電主要分為一次側(cè)和二次側(cè)兩個(gè)部分，系統(tǒng)一次側(cè)采用220 V市電進(jìn)行供電，經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，然后進(jìn)行高頻逆變將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹C振頻率的交流電，變化的高頻電流在發(fā)射線圈周圍產(chǎn)生交變磁場，二次側(cè)線圈在磁場中感應(yīng)出相同頻率的電壓，經(jīng)過整流濾波之后提供給負(fù)載端使用。

因?yàn)閭鬏斝实母叩椭饕Q于兩個(gè)線圈所組成的能量傳輸單元。因兩側(cè)線圈所組成的能量傳輸單元就相當(dāng)于一個(gè)耦合介質(zhì)為大氣的變壓器，所以耦合程度會比較小。查找資料發(fā)現(xiàn)一般耦合系數(shù)最高不超過0.3，所以能量的傳輸比較困難。為了提高傳輸效率和傳輸功率，在兩側(cè)線圈上加入諧振補(bǔ)償電容，并且調(diào)整使兩側(cè)的線圈回路擁有相同的諧振頻率，當(dāng)輸入電壓的頻率與LC線圈的固有頻率相同時(shí)，兩個(gè)回路便會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)可以得到高效率的能量傳輸?；ジ旭詈夏Ｐ驮韴D如圖1所示。

圖1 互感耦合模型原理圖

1.2 耦合模型分析

諧振模型一般分為RLC串聯(lián)諧振和RLC并聯(lián)諧振，其中R為諧振電感和電容的內(nèi)阻，其實(shí)一般高頻諧振中電容的R很小，為了方便分析可以將其忽略，但是諧振電感上的電阻較大，需要考慮其對系統(tǒng)的影響。一般諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)[1]有如下四種：串聯(lián)—串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)（SS），串聯(lián)—并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)（SP），并聯(lián)—串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)（PS），并聯(lián)—并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)（PP）.

當(dāng)串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振時(shí)，容抗壓降和感抗壓降的模值相等、相位相反，這時(shí)它們可相互抵消，LC端口對外相當(dāng)于短路，表現(xiàn)為電壓源特性，即為電壓源諧振方式。在串聯(lián)諧振中，電感和補(bǔ)償電容上的電壓一般情況下都會很髙，所以器件的絕緣性能要求很高。當(dāng)由恒壓源供電時(shí)，系統(tǒng)較多采用串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。與之相對的并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振的時(shí)候，流過電容和流過電感的電流模值相等、相位相反，同樣相互抵消，LC端口對外相當(dāng)于開路，表現(xiàn)為電流源特性，即為電流源諧振方式。并聯(lián)諧振中，電感和補(bǔ)償電容中的電流一般較大，所以器件要求有較強(qiáng)的導(dǎo)通大電流能力。當(dāng)由恒定電流源供電時(shí)，系統(tǒng)多采用并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

基于上面所分析的串聯(lián)諧振方式和并聯(lián)諧振方式的特點(diǎn)，系統(tǒng)供電電源一般采用220 V市電，所以串聯(lián)諧振方式較為適合。在SS結(jié)構(gòu)中，當(dāng)負(fù)載電阻較大時(shí)，輸出功率與系統(tǒng)效率隨著負(fù)載電阻的增大而減小，所以SS補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適合阻值較大的電路。同理可得SP補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適合負(fù)載阻值較小的情況。本系統(tǒng)目標(biāo)定于電動汽車無線充電，對現(xiàn)有動力電池進(jìn)行資料查詢，大部分阻抗很小，所以本系統(tǒng)定于用SS補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。四種補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖分別如圖 2 中（a）（b）（c）（d）所示。

圖2 四種補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 耦合電路與仿真結(jié)果

在SS補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一般由交流源整流變?yōu)橹绷麟?，之后進(jìn)行斬波，獲得所需電壓的直流電。獲得需要的直流電之后，在一次側(cè)對其進(jìn)行高頻逆變，通過耦合線圈將能量傳遞給二次側(cè)，二次側(cè)在對接收到的交流電進(jìn)行整流，然后對負(fù)載電池進(jìn)行充電。

本系統(tǒng)主要研究中頻耦合下的一些特性，因此為了簡化系統(tǒng)，將整流過程省略，用一個(gè)可調(diào)的直流電壓源來供電，直接輸出需要的直流電壓。目標(biāo)負(fù)載定為四節(jié)松下2 900 Ah的電池兩并兩串做成，負(fù)載電阻19 Ω，充電電壓12.6 V.其中將耦合系數(shù)定為0.2，根據(jù)資料顯示，耦合系數(shù)一般不高于0.3，本文定于0.2是合理可行的。在pspice[2]中建立耦合模型，耦合模型如圖3所示，將原副邊耦合系數(shù)直接設(shè)定為0.2，它可以方便的設(shè)定各種所需參數(shù)，對需要研究的參數(shù)進(jìn)行變化，觀察電路運(yùn)行結(jié)果。

本系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)各種參數(shù)設(shè)置均達(dá)到與相應(yīng)諧振頻率相匹配的較優(yōu)值對諧振頻率進(jìn)行分析。對諧振頻率為 1 kHz、3 kHz、6 kHz、8 kHz、10 kHz進(jìn)行初步仿真，當(dāng)設(shè)置諧振頻率分別為上述值時(shí)，可以得到相應(yīng)的系統(tǒng)充電特性圖，得出最佳效率為1 kHz時(shí)，對上面的仿真結(jié)果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)1 kHz左右的中頻磁耦合諧振式充電響應(yīng)速度快，波動小，具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢，不過上述結(jié)果充電電壓還是比較低，達(dá)不到實(shí)用要求。接下來繼續(xù)對其進(jìn)行優(yōu)化，對1 kHz 周邊的 0.8 kHz、0.9 kHz、1.1 kHz、1.2 kHz 進(jìn)行仿真，對比仿真結(jié)果得到在0.9 kHz時(shí)結(jié)果最優(yōu)，充電電壓可以達(dá)到12.5 V，充電電流可以達(dá)到0.8 A，充電效率可以達(dá)到75%以上，上述仿真結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的程度，展示了中頻磁耦合諧振在應(yīng)用方面的優(yōu)勢。其中10 kHz，1 kHz，0.9 kHz的仿真圖如圖4、圖5、圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率高達(dá)10 kHz時(shí)響應(yīng)慢，效率低；1 kHz相比之有所優(yōu)化，響應(yīng)變快，效率提升；0.9 kHz能達(dá)到論題要求。

圖3 耦合模型圖

圖4 10kHz仿真結(jié)果圖

圖5 1kHz仿真結(jié)果圖

圖6 0.9kHz仿真結(jié)果圖

3 結(jié)束語

無線充電中諧振頻率的選擇直接影響系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與選擇。本文針對1 kHz左右的中頻諧振進(jìn)行了分析，在此情況下電池達(dá)到了一個(gè)良好的充電效果，本文結(jié)果顯示，中頻擁有良好的充電特性，充電響應(yīng)快，本充電平穩(wěn)無大沖擊，對電池有良好的保護(hù)性能，系統(tǒng)可以在10 ms的時(shí)候達(dá)到百分之八十的充電功率，在20 ms的時(shí)候達(dá)到比較平穩(wěn)的額定充電功率。在目前高頻磁耦合成本高昂，不易實(shí)現(xiàn)的階段，有良好的應(yīng)用性。

[1]李云龍.電動汽車無線供電系統(tǒng)磁耦合機(jī)構(gòu)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[2]郭平靜，吳巍峰.電動汽車無線充電系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)電一體化，2015，21(10)：12-15.

The Characteristics Of The Mid-frequency Wireless Charging System With Magnetic Resonance Are Studied

TIAN Di，TIAN Cheng-lin，LI Jian-liang
（Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

Wireless charging is a new type of charging method，which is a necessary development direction of future power source.Aim at the resonant wireless charging ways，this paper adopts the method of modeling analysis and simulation using PSpice software，by changing the resonant frequency wireless charging on the performance and efficiency are analyzed.The results show that there is good charging efficiency and economy.

wireless charging；resonance frequency；PSpice

TM910.6

A

1672-545X（2017）08-0145-03

2017-05-16

田 迪（1993-），男，陜西西安人，碩士在讀，主要研究無線充電方向；田成林（1993-），男，河北邢臺人，碩士在讀，主要研究無線充電方向；李建良（1993-），男，山東日照人，碩士在讀，主要研究無線充電方向。