基于MATLAB仿真设计无线充电系统

news2024/10/5 20:28:24

通过学习无线充电相关课程知识，通过课程设计无线充电系统，将所学习的WPT，DC-DC，APFC进行整合得到整个无线充电系统，通过进行仿真研究其系统特性，完成我们预期系统功能和指标。

以功率器件为基本元件，设计一个电动汽车无线供电系统，包括二极管全桥整流拓扑、PFC拓扑、全桥逆变拓扑，无线供电模块、后端二极管全桥整流拓扑和DC-DC锂电池管理模块。系统框图如下图1所示。

1）输入单相电网电压为220V±20%,频率为50Hz，或输入三相电网电压为380V±20%,频率为50Hz；

2）当负载电阻RL从10欧到30欧变化时输出电流应具备以下条件:输出电流为10A±1%，

2．课题的设计与调试具体要求如下：（1）系统的需求分析与定义；（2）系统体系结构的设计；（3）功率器件选型计算；（4）系统控制电路的设计；（5）系统仿真调试验证；（6）系统实物的调试验证。

无线电能传输技术早在1889 年就由美国著名电气工程师Nicola Tesla 提出，设计了Wardencly Tower 进行实验，人类对其的研究也已经超过100年，但由于该技术涉及电磁场、电力电子、控制、材料等多种学科方面是一个多学科、强交叉、大融合的研究领域，其研究和发展始终较为缓慢。

随着人类社会从工业化走向电气化、信息化、智能化，高压传输系统、工业大型用电设备、新能源汽车、生物医疗、小型智能穿戴设备等已经成为生活中十分常见、必不可缺的应用，电能也成为不可取代的能源。在传统有线电能传输的过程中，即在发射端和接收端之间，利用电缆或导线的连接进行传输，势必会产生电能的损耗，还会出现因线路老化出现的电火花、插头连接处的尖端放电等危险因素，不仅造成电气设备的损坏，更会威胁到用电者的安全;在复杂工业现场也存在用电安全、施工困难等问题，如深海作业会出现海水腐蚀输电线路的问题、群山沟壑作业会出现超长导线铺设难的问题，增加成本、增添困难。

电能传输能将电能从发射端传输到接收设备而不通过导线等物理介质，实现

跨空间能量传递，能很好地规避上述用电安全、施工困难等问题，拥有随充随用、多负载并用、无需插拔等优点。相较有线传输，具有独特的无位置性、优良的灵活性、可靠性和安全性特点，因此要求无线电能传输技术实现快速发展、推广和应用。此外，无线电能传输技术还将打破现有充电模式的禁锢，激发智能电气设备的灵活性、便携性，提高新能源电气设备的能源利用率，促进能源互联共通，为航空航天、军事装备、医疗器械等高精尖领域增光添彩。

近年来，关于无线电能传输技术的研究进入了快速发展的阶段,并且取得了阶段性的成果。凭借十分重要的学术价值、工业价值和市场应用价值,无线电能传输技术曾被《MIT技术评论》评为未来重点研究技术，也被中国科协称为“引领未来的技术”，将对世界“工业4.0”、“中国制造2025”等重要战略的实施起推动作用。

电路整体主要由前级APFC，中间加WPT传输，H桥以及DC-DC四大电路模块构成，可以通过拆分研究，其中使用平均电流控制和SPWM控制开关器件工作使得其结果符合其所需的要求，其电路整体结果见下图2.1所示。

图2.1 无线充电系统整体电路

APFC主要由整流以及Boost升压俩个结合而成，为了能够使得功率因素约达到1，使其效率尽量高的结果使用平均电流控制，结合PID电压外环和电流内环，控制输出电压恒定，改变输入电压和负载时，输出恒定，其电路结构见图2.2所示。有源就是可控器件（例如MOSFET）无源就是电阻电感电容不可控的器件。PFC目的为减小交流输入电压与交流输入电流之间的相位差，提高设备功率因数并使之接近为1，APFC主要是矫正电源电压，采用全桥整流电路加Boost。

图2.2 APFC电路结构

为了使得能够实现能量传输，采用交流传输而不是直流传输，因为交流传输能够交变形成磁场，于是需要使用H桥也就是全桥逆变电路结合LC滤波消去谐波的影响，其H桥电路结构见下图2.3所示。

图2.3 H桥电路结构

为了使得AC能够进行传输，使用WPT串串电路结构，也就是磁耦合谐振式无线电能传输示意图如图2.4所示，系统先通过将电场能转换成磁场能，然后再将磁场能转换成电场能，即通过高频电源激励发射端线圈产生电磁场，使接收线圈的固有频率与激励频率一致，此时振幅最大，发射的能量大部分被接收端吸收，实现能量的无线传输。

对于串串电路由于成本低，结构简单，效率高，功率高所以使用串串电路。

DC-DC电路为电池充电模块，主要包括了三大部分，前级为H桥（全桥逆变）电路，中间为WPT无线传输电路，后级为整流模块，将电从DC-AC-DC实现DC-DC的变化来实现电池的充电功能。

其中传输过程中使用的是DC-AC是由于交流电才能产生变化的磁场的规律实现电能的传输，其中充电也有多种的方式，包括恒压充电，恒流充电，具体模式还需根据系统需要进行选择。

平均电流控制:与峰值电流控制的Boost PFC变换器相比较，能够得到更稳定精准的输入电流波形的是平均电流控制。在变换器工作在电感电流连续的情况下，在通过采样与滤波之后，电感电流被送至电流误差放大器以用来与指令信号进行对比，使波形发生器由电流误差放大器的输出进行驱动，外环确保了输出电压恒定，内环确保了指令信号与输入电流保持一样,其控制电路见图2.7所示。

平均电流控制的优点，(1)开关频率恒定:(2)不需要斜坡补偿:(3)由于电流经过滤波，对受到整流噪音的影响不大;(4)占空比可以很高，使死区时间减少。

平均电流控制的缺点:(1)必须要对电感电流进行采样;(2)需要加电流误差放大器。乘法器作用为引入相位信息，让电流跟随电压相位。

SPWM主要通过采集输出电压与设定电压进行比较通过PI的调节和与三角波进行比较通过PWM控制器得到四个PWM来控制全桥逆变电路四个MOSFET器件开通和阻断，其中由于是俩个一组交替工作，所以使用移相180度，其中使用移相操作而不是取反是由于当占空比并不是50%时，取反会存在重叠现象，即存在四个MOS同时导通的坏情况，为了避免该类情况于是使用移相操作，其SPWM控制电路见下图2.8所示。滞环宽度越小控制精度约高，越窄则开关次数越高，使得开关损耗越大。