基于Saber仿真下電動車無線充電技術的應用分析

安寧寧，張效蘂，王錄陽，魏文亮，張新國

（1.天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司國際工程分公司，天津 300450；3.中國石油渤海鉆探工程有限公司塔里木鉆井分公司，新疆 庫爾勒 841000）

本文以新形勢下需求為出發點，著重對新能源電動汽車無線充電技術進行了研究。在仿真軟件下，根據SS補償參數計算，在改變不同電路參數情況下對無線充電技術的建模進行推導，驗證所搭建模型的正確性和可實施性。展望了該項技術在新能源電動車無線充電領域的發展前景，同時也提出該項技術亟待解決的問題。

1 無線充電諧振模型

磁耦合式無線能量傳輸的兩個線圈的耦合系數非常低，漏電感值變大，不利于無線充電系統的正常工作。為了提升系統的充電功率和工作效率，通常采用電容在發射線圈和接收線圈進行無功補償，使兩個線圈工作在諧振狀態。這樣，電網只要提供所需的有功功率，就可提高系統的輸出功率，增大傳輸效率。無線充電諧振模型圖如圖1所示。

圖1 無線充電諧振模型圖

圖中，Us為恒壓源，Im為恒流源，CS為一次側諧振電容，CR為二次側諧振電容，LS為發射線圈，LR為接收線圈，ML為互感，RS為一次側線圈的內阻，RR1為二次側線圈的內阻，IP為一次側閉合電路的電流，IS為二次側充電過程中的電流，RL為負載。

假設電壓源US的工作頻率為ω，則一次側閉合電路的等值阻抗為

二次側充電回路的等值阻抗為

耦合阻抗為

諧振模型的基爾霍夫電壓方程為

諧振模型的輸出電壓為

為深化公司精準培訓工作，公司團委制定了《以導師帶徒為抓手，深化精準培訓工作方案》。“有的青工長期在一個崗位上工作，職責內的工作都能扛起來。但是他們在工作中是否還有更高的需求，是否還存在短板？需要我們去實地調研掌握。”齊魯石化烯烴廠團委副書記李曉杰剛剛從車間調研回來，發出這樣的感慨。

一次側輸入功率為

二次側輸出功率為

根據上面公式可知，兩側功率與電源的工作頻率關系密切。當輸入電源的工作頻率和諧振網絡的頻率接近時，功率和效率達到最大值，充電系統頻率與無線傳輸頻率曲線圖如圖2所示。在無線充電過程中，必須保證充電系統的頻率與無線傳輸的頻率一致。

圖2 充電系統頻率與無線傳輸頻率曲線圖

當系統接入負載后，最低輸出電壓保證最低值，電流限制在一定值內，功率限定在合理范圍內。可以看出，傳輸網絡一次側的電容與電源頻率和一次側線圈的電感特性有關，系統穩定可靠，適用于大中型系統間的功率傳遞。

2 SS傳輸網絡能量策略研究

2.1 SS諧振結構模型驗證

本小節根據上一節模型計算公式的結果、軟件仿真值和試驗數值，逐一證實了一次側輸入電流和電感值；并得出二次側輸出電流和電感值，通過對兩者之間得出的結果對比，證實了傳輸網絡的正確性和穩定性。系統參數：假定系統的工作頻率f＝65Hz，一次側線圈電感值 LS＝70μH，一次側線圈阻抗 RS＝0.6Ω，二次側線圈的電感值 LR＝70μH，二次側線圈阻抗 RR1＝0.6Ω，負載電抗 RL＝0.6Ω，模型諧振電容的計算公式為

通過調節一、二次側線圈的距離來調整兩者之間的互感量。通過電工軟件進行理論數據的初步計算。軟件計算數據表如表1所示。系統實驗數據表如表2所示。

表1 軟件計算數據表

表2 系統實驗數據表

根據表1和表2的數據，可畫出相應的曲線圖。定義x軸為互感M（μH），縱軸為一、二次側的電流和功率。輸出電流與互感關系圖如圖3所示。輸出功率與電流關系圖如圖4所示。

圖3 輸出電流與互感關系圖

圖4 輸出功率與電流關系圖

2.2 SS傳輸結構頻率特性分析

從前面解析可知，傳輸系統工作在諧振工作點時，系統的功率和效率趨近于最大值，但是二次側負載發生變化，此時系統的頻率會發生畸變，在分析時為了方便，設定一次側和二次側的參數是相等的，根據電工學公式，當IS（ZS）＝0時，可得

式中的系數k由互感和電感的比值得到。將公式等效為二次函數，當 b2－2ac＞0，此時函數有兩個實數解，此時ω數值不確定，就會出現系統頻率畸變的現象，當b2－2ac＝0時，函數會產生一個臨界值

由上述公式解析可得出結論：在傳輸系統參數一定的情況下，無線充電系統會出現頻率畸變現象，引起畸變的因素和一、二次側線圈阻尼系數ζ存在著一定聯系，阻尼系數越小，傳輸系統畸變現象越明顯。

3 軟件Saber仿真及試驗結果

Saber廣泛用于電源變換器設計、電路仿真和伺服系統設計、多技術仿真工業產品設計等多領域，兼容模擬、數字、控制量混合仿真。6.6kW串串SS補償模型仿真電路如圖5所示。

圖5 6.6kW串串SS補償模型仿真電路

圖6 接收端在輸出電壓371V時的功率波形圖

圖7 測試平臺逆變器輸出電流波形圖

圖8 接收端在不同參數下的功率波形圖

從上面圖形可以看出，隨著負載電阻的增大，網絡感性也增強，這與電池充電過程相吻合。

4 結論

本文對磁耦合式無線能量傳輸系統的基本原理進行了討論，對仿真模型中相關參數進行了數學計算，在軟件條件下對SS諧振結構模型的能量傳輸做了詳細數據分析和結果論證，并在一臺恒流輸出控制試驗系統中對其數學推導的理論數據做了進一步的實驗驗證，實現了電動汽車無線充電技術的應用推廣，充電效率可達85%。但是該研究成果還需要更進一步的完善和優化，比如一、二次側線圈的材料選型、制作工藝等都會影響到系統的熱損耗，這也將是以后科研攻關的重點突破方向。