【风采汇】+2019年研电赛『矿井电机车（谐振式）无线充电系统』

一、作品介绍

本作品基于磁耦合谐振式的无线能量传输原理，实现一套完整的可用于矿用电机车的无线充电系统。作品的创新点是将无线传输技术用于井下矿车充电，利用最大谐振电流实现对矿车的无线自主充电定位，重点是对系统中矿用三相660V交流电进行PWM可控整流和核心部件磁耦合器进行研究，利用有限元仿真软件ANASYS Maxwell分析磁耦合器原副边线圈进行特性分析，并通过实验验证了仿真的准确性。实现符合矿用电机车需求的无线充电系统，其性能可靠，工作稳定，充电电流电压谐波小，功率因数接近为 1，其无线传输效率可达92%以上。

本作品的主要工作包括：

（1）前级通过三电平三相PWM整流，实现了高功率因数的校正，减小了谐波对电网侧的污染，实现了整体无线充电系统的绿色无污染。

（2）完成后级无线传输方案及参数的设计，利用有限元仿真软件ANASYS Maxwell分析磁耦合器原副边线圈的距离、不同线圈尺寸、横向位移偏差、纵向位移偏差下的线圈自感和互感特性；利用 LTSPICE 进行了无线充电系统电路的仿真，相对准确的模拟了电路工作特性及电力电子器件的开关对电路的影响。最终确定了线圈的几何尺寸，补偿电路的结构、参数及工作状态；设计了高频电力电子电路的 PCB，利用 Liz 线进行线圈的制作，并完成了相应的硬件设计和调试，通过实验确认了补偿电路的谐振状态和 ZVS 软开关状态，提高后级无线传输的效率；

（3）通过DSP的SCI模块以及HC-12无线模块实现了发射侧和接收侧的无线通讯功能，从而可以利用触控屏幕显示无线充电系统的充电状态并观察系统中的参数。

二、作品方案与设计

如图1是整机系统框图，图二是样机的技术参数；

1、前级三相PWM整流设计

如图2为三相PWM整流系统框图设计，前级输入三相交流源为矿井电源，线电压等级为660V，为了减小输入电流的畸变率，降低开关管所承受的电压等级，又结合上述三电平拓扑所具有的优势，采用NPC三电平整流拓扑作为前级的功率因数校正。

下图为三相PWM整流的输入电压和电流波形

图3 三相PWM整流的输入电压和电流波形

2、后级方波发生器和不控整流的IPT系统设计

系统后级采用了基于LCC补偿网络的无线充电拓扑结构，如图3所示；

图3 基于LCC补偿网络的无线充电拓扑结构

表2是样机的技术指标

表3是LCC补偿网络的参数

磁耦合器仿真

图4是 ANSYS有限元仿真软件模拟仿真磁耦合器的模型，为了减轻重量，铁氧体并不会铺满中间层，而是按照磁通走向，把条状铁氧体呈放射状分布放置，并且在优化中，有目的地增加磁密高的区域的铁氧体用量。

（a）磁耦合器 3D模型示意图

（b）磁耦合器发射 /接受端侧视图

图4 发射线圈及接收线圈仿真模型

本设计采用LCC补偿网络的方案，该补偿网络具有

1）恒流源的输出特性，易于给电池充电，控制简单，且输出电流只与输入电压和耦合系数K有关；

2）通过改变系统参数来实现ZVS软开关，提高开关管的工作效率；

3）实现原副边输入输出的电流和电压同相位，具有功率因数校正的功能；

无线充电的效率一直是关注的的焦点。经由公式推导，效率η 与磁耦合系数和原副边电感线圈的品质因数有关，因此可以通过提高耦合系数或者提高品质因数来提升系统得传输效率。又由于磁耦合系数k在实际工况中是一个较难以改变的参数，所以可以从原副边电感线圈的品质因数着手来提高传输效率，即提升系统的谐振角频率ω 和降低线圈内阻R。系统频率的提升必然会带来系统损耗的增加。目前其开关频率一般在20kHz-150kHz 之间，考虑到效率和造价成本，折中后谐振频率设为85kHz。如图2-3所示为磁耦合器效率曲线，从图3中可以看出，假定耦合系数为0.15以上，那么在理想状态下，当线圈的品质因数达到500时，磁耦合器理论上传输效率可以到达95%。