基于MATLAB的电动汽车无线充电系统仿真

高  峰1，刘熠贞1，吕和平2，黄林1，梁虎1

（1.重庆三峡学院，重庆 401120；2.重庆长安新能源汽车科技有限公司，重庆 401120）

摘要：本文根据磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计无线充电系统，对电动汽车无线充电特性进行分析。根据谐振原理和等效电路理论，确定工作频率范围、电感值和补偿电容值，设计SS型耦合谐振式电路参数。基于MATLAB 软件搭建仿真模型。选取合适的参数进行仿真实验，对应传输效率为97.8%。

关键词：电动汽车；无线充电系统；磁耦合谐振式

前言

随着科技的不断进步，越来越多的电子电器行业都在涉足无线充电技术领域。无线充电技术是一种利用磁场来传输能量，不需要电线进行传输的技术。无线充电系统避免了漏电等安全隐患，充电过程不会对人体造成辐射和危害，且在电动汽车等领域中，也不会影响其他电子设备的正常运行[1]。此外，无线充电还具备电满自停功能，可避免过多能源的浪费，更能够满足环保节能的要求[2]。

本文以电动汽车充电为研究背景，根据磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计了无线充电系统，对电动汽车充电特性进行分析。

1无线充电原理

电动汽车无线充电系统主要由发射器和接收器组成。发射器一般由两个部分组成：电源和电磁线圈。电源通过电磁线圈将电能转换成交流电后传输到接收器。接收器也由电磁线圈和电路组成。电磁线圈接收来自发射器的电能，并将线圈产生的电能转换为直流电以供电动汽车使用。

电磁共振式、电磁感应式、磁耦合谐振式和无线电波式是目前来说四种常见的无线充电技术。它们各自具有不同的优缺点和适用范围[3] 。

本文选择了磁耦合谐振式无线充电技术。考虑到电感中导线的阻值无法忽略，为了分析补偿网络建立了含线圈电阻的电路模型，如下图1所示。

图1含线圈电阻电路模型

图2是松耦合变压器电路等效模型，表示了互感M和原、副边漏感，增加了原副线圈电流ip和is流向。

图2等效模型

根据KVL可得原副边的电压和电流关系：

传输效率为:

原、副边谐振频率f p和f s为:

原、副边品质因数Qp和Qs为:

耦合系数K的计算公式：

2 实例分析

2.1仿真参数

根据表1参数进行相关设计，确定线圈电感值。

表1系统主要参数

选取开关频率为50kHz，输入电压220V经过不控整流后得到的直流电压约为310V，取最大输出功率2200W，输出电压为300V，得到输出等效电阻为40.9Ω。

由原、副边自感Lp为120uH，可得原边补偿电容为：

增益为：

当u为1时SS型拓扑增益最大为:

由于前面直流电压为 310V，为了满足电压增益：

得到，取，计算得到 M=48uH，Lps =Lss =72uH。

2.2利用MATLAB建立仿真模型

利用Mat lab/Simulink 模块对上文进行等效模型的仿真，仿真模型如图3所示。

图3系统仿真原理图

2.3仿真结果分析

运行仿真，得到如下结果。

图4输入功率图

如图4所示，随着时间的增长，输入功率直线上升，经过短暂的过度后下降稳定至 2250W。

图5输出功率图

如图5所示，随着时间的增长，输出功率逐渐上升，最终稳定在2200W。

系统的传输效率为：2200/2250=97.8%。

3 结语

本文以电动汽车无线充电为研究对象，基于磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计了一种无线充电系统，并对电动汽车充电特性进行了分析。

首先是根据等效电路理论和谐振原理明确了工作频率范围和电感值，并确定了补偿电容值，设计出 SS 型耦合谐振式电路的参数。

其次，搭建了一个基于 MATLAB 的仿真模型来验证系统参数的合理性和性能。

最后，通过模拟实验，选择适当的参数和调整输出电压，实现了高功率的输出。

参考文献

[1]美国斯坦福大学研制出新型电动汽车无线充电系统 [J] .浙江电力.2012,第3期

[2]吴理豪, 张波. 电动汽车静态无线充电技术研究综述(下篇)[J]. 电工技术学报, 2020,35(8):17.

[3]陈汉青，韩梓杰，杨磊. 磁感耦合谐振技术在无线充电中的应用研究[J]. 计算机技术与发展，2018，28(3):132-136.

作者简介：高峰（1979.05），男，高级工程师，硕士研究生，研究方向为汽车NVH性能、新能源汽车设计。