摘要：感應(yīng)耦合式無線電能傳輸傳輸功率大、效率高，較適合用于電動汽車無線充電，但對松耦合變壓器原副邊線圈精確對準要求高，松耦合變壓器原副邊線圈相對位置變化時，會引起互感以及原副邊漏感變化，進而影響系統(tǒng)的傳輸功率和效率。本文首先分析原副邊線圈位置變化時，四種基本補償拓撲輸入電流以及輸出電流，然后分析原副邊漏感變化對S/SP補償拓撲輸出功率和傳輸效率的影響分析S/SP補償拓撲。針對四種基本補償拓撲在原副邊線圈位置變化時存在的問題，本文分析S/SP補償拓撲，改變松耦合變壓器副邊側(cè)補償電容的值，通過Matlab仿真結(jié)果分析驗證，原副邊線圈發(fā)生水平位置變化時S/SP補償拓撲可實現(xiàn)額定功率傳輸，并且實現(xiàn)副邊補償電容電壓、電流恒定。

1引言

近年來，為了滿足節(jié)能、環(huán)保以及低碳經(jīng)濟的需求，發(fā)展電動汽車(ElectricVehicle，EV)已成為一種趨勢。有線充電和無線充電(WirelessChargingTechnology，WPT)是電動汽車充電的兩種主要方式，無線充電作為一種新型的充電方式，與有線充電相比使用方便、安全，無火花及觸電危險，可適應(yīng)惡劣的環(huán)境和天氣。

感應(yīng)耦合式無線電能傳輸（InductiveCoupledPowerTransfer，ICPT）傳輸功率大、效率高，較適合用于電動汽車無線充電，但是對松耦合變壓器原副邊線圈精確對準要求較高，在實際充電過程中，不同地面清潔度或停車偏移度將會導(dǎo)致輸出功率和傳輸效率降低，并且會延長充電時間。原副邊線圈偏移時會引起原副邊漏感發(fā)生變化而造成丟失完全補償?shù)膯栴}，國內(nèi)外學(xué)者就充電過程中存在的松耦合變壓器原副邊線圈偏移問題進行了諸多研究，諸如：線圈優(yōu)化和設(shè)計、匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、補償拓撲的設(shè)計。提出一種采用原副邊線圈尺寸不等的方法，當線圈發(fā)生軸向偏移或橫向偏移時，保證耦合系數(shù)變化不明顯，但是該方法僅適用于圓形平面線圈。提出一種副邊繞組采用兩個繞組線圈正交放置的結(jié)構(gòu)，線圈偏移時可減小耦合系數(shù)的變化，提高系統(tǒng)的傳輸效率，但是增加了繞組線圈的數(shù)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。提出一種優(yōu)化設(shè)計螺旋線圈的方法，線圈偏移時實現(xiàn)最大輸出功率和系統(tǒng)傳輸效率，但是僅適用于近場耦合的情況。提出一種SP/S補償拓撲，可使線圈在高偏移率下仍可傳輸額定功率，但是未對原副邊補償電容電壓、電流進行分析。

本文首先分析在松耦合變壓器原副邊線圈偏移時四種基本補償拓撲輸入電流以及輸出電流，并且分析原副邊線圈漏感變化時對S/SP補償拓撲的輸出功率和傳輸效率的影響。針對四種基本補償拓撲存在的問題，本文分析S/SP補償拓撲，通過改變副邊補償電容的值，原副邊線圈發(fā)生水平位置相對變化時分析系統(tǒng)傳輸功率以及副邊補償電容電壓、電流值。

2線圈偏移

大多數(shù)松耦合變壓器原副邊線圈是對稱的，其自感是固定的，對齊的情況下耦合系數(shù)較高，可實現(xiàn)較大功率輸出。但在實際電動汽車無線充電過程中經(jīng)常會發(fā)生線圈不對齊的情況，降低系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率，線圈偏移結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文主要研究線圈橫向偏移（也即原副邊線圈水平位置相對變化）對S/SP補償拓撲輸出特性的影響。圖2為松耦合變壓器原副邊線圈發(fā)生軸向位置和水平位置變化時，對互感M的影響。圖3為松耦合變壓器原副邊線圈發(fā)生橫向偏移時對四種基本補償拓撲輸入電流i1、輸出電流i2的影響。

圖1原副邊線圈偏移結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可看出，當線圈偏移時，互感M隨偏移距離的增大而迅速減小，進而影響系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率。

圖2互感M隨橫向偏移c與軸向偏移h變化曲線

從圖3中可看出原邊采用串聯(lián)補償時，隨著橫向偏移距離的增加，原邊電流增大，易超出電源容量；原邊采用并聯(lián)補償時輸出電流i2迅速減小，達不到額定輸出功率。

圖3四種基本補償拓撲輸入電流i1、輸出電流i2隨橫向偏移距離c變化曲線

3S/SP補償拓撲

3.1S/SP補償拓撲

圖4為S/SP補償拓撲結(jié)構(gòu)圖，圖5為S/SP補償拓撲結(jié)構(gòu)原理圖。

圖4S/SP補償拓撲

圖5S/SP等效原理圖

uAB為原邊采用串聯(lián)補償拓撲經(jīng)高頻逆變輸出電壓有效值：

副邊采用LC濾波電路，只考慮基波分量可將整流部分以及負載RL等效為Re：

3.2原副邊漏感變化對S/SP補償拓撲輸出特性影響

松耦合變壓器原副邊線圈相對位置變化時，還會引起原副邊線圈漏感L11、L12發(fā)生變化而丟失完全補償?shù)膯栴}，進而會影響傳輸功率和傳輸效率。本文分析S/SP補償拓撲原副邊線圈漏感變化對輸出功率和傳輸效率的影響。

從圖6、圖7中可以看出原副邊漏感變化時對輸出功率和傳輸效率影響較大。可見，松耦合變壓器原副邊位置變化時造成的漏感參數(shù)變化會對S/SP補償拓撲造成較大影響。

3.3原副邊補償電容取值

針對四種基本補償拓撲原副邊線圈發(fā)生偏移時存在的問題，引入S/SP補償拓撲，通過引入系數(shù)KC，其中KC≤1，進而改變副邊補償電容C2、C3的值，線圈偏移時可實現(xiàn)傳輸額定功率，并且穩(wěn)定副邊補償電容C2電流值以及電容C3電壓值，為選擇補償電容節(jié)約成本，并且不增加電容電壓電流應(yīng)力。

通過改變松耦合變壓器副邊補償電容的值，保證線圈偏移時傳輸額定輸出功率。原副邊補償電容C1、C2、C3的值分別為：

, 其中KC≤1

其中：L1、L2分別為原副邊線圈電感，C1、C2、C3分別為原副邊補償電容，ω為諧振頻率，KC為小于等于1的系數(shù)。通過改變系數(shù)KC的值，改變副邊補償電容C2、C3的值。

松耦合變壓器二次側(cè)折合至一次側(cè)的等效阻抗Zr：

系統(tǒng)輸入阻抗Zin：

為了使該補償拓撲工作在諧振點處，Zin的虛部應(yīng)為零，所以：

根據(jù)上式可得補償電容C3：

其中：

3.4輸出特性分析

本文分析計算S/SP補償拓撲松耦合變壓器原副邊線圈發(fā)生水平位置偏移時傳輸功率、副邊補償電容電壓、電流值。

S/SP補償拓撲輸出功率Pout：

副邊側(cè)補償電容C2電流值、電容C3電壓值：

其中：

4仿真結(jié)果分析

運用Matlab仿真軟件對S/SP補償拓撲輸出功率Pout、副邊補償電容C2電流值以及C3電壓值進行仿真分析。表1為所設(shè)計的仿真參數(shù)；圖8為S/SP補償拓撲輸出功率Pout與原副邊水平距離c變化關(guān)系；圖9為副邊補償電容C2電流與原副邊水平距離c之間的關(guān)系；圖10為副邊補償電容C3電壓與原副邊水平距離c之間的關(guān)系。

從圖8、圖9、圖10中可以看出隨著水平距離c的增大，KC越大，輸出功率Pout超過額定輸出功率越大，并且副邊補償電容C2的電流值以及電容C3的電壓值也大幅度增加，增加了電容電壓電流值，不利于系統(tǒng)安全可靠運行。

結(jié)合圖8、圖9以及圖10可得出KC=0.35時，松耦合變壓器原副邊線圈水平位置相對變化時，不僅具有額定功率傳輸，副邊補償電容C2電流值以及電容C3電壓值基本保持不變，增強了副邊側(cè)穩(wěn)定運行。

5結(jié)論

針對四種基本補償拓撲存在的問題，本文分析S/SP補償拓撲，通過改變副邊補償電容的值，隨著原副邊線圈水平距離c的增大，KC越大，輸出功率Pout超過額定輸出功率越大，并且副邊補償電容C2的電流值以及電容C3的電壓值也大幅度增加，增加了電容電壓電流值，不利于系統(tǒng)安全可靠運行。選取系數(shù)KC為0.35，原副邊線圈水平位置相對變化時，S/SP補償拓撲不僅可以傳輸額定功率，并且副邊補償電容C2電流值以及電容C3電壓值基本保持不變，增強了副邊側(cè)電壓電流穩(wěn)定運行。