电动汽车无线电力传输的基本补偿拓扑有哪些？

来源：线束世界•作者：线束世界•2024-10-12 09:26

无线电力传输（WPT）中的补偿是指使用额外的电路元件来抵消充电系统中的无功功率。简单补偿拓扑为S或P型，而基本补偿拓扑包括SS、SP、PS和PP类型。

拓扑结构根据补偿元件在主器件（发射器）、辅助器件（接收器）或两者中的放置进行分类。它还根据初级和次级线圈中使用的补偿元件的数量进行分类。

无功功率流如何影响WPT性能？

无功功率流是由于发射线圈和接收线圈中的电感引起的。它不有助于实际的电力传输，并在电源和负载之间保持循环。这种现象反过来会导致更高的电流，任何从事电力电子工作的人都会知道，更高的电流也会转化为高功率损耗。

当在补偿拓扑的帮助下将无功功率流最小化时，自然会提高功率传输效率并减少能量损失。因此，发射和接收线圈在谐振或接近谐振时工作，这是实现最大功率传输的理想条件。

为什么在补偿拓扑中需要电容器和电感器？因为感抗和电容抗协同工作以相互抵消。因此，当特定类型的电抗较大时，可以使用相反的电抗来使系统在没有无功功率流的情况下达到平衡。

补偿电路由电容器和电感器的组合组成，从而产生多种形式的补偿拓扑：简单、基本和混合。

图1显示了如何通过调整元件的布局和数量来获得三种类型的补偿拓扑。混合类型将单独介绍，因为它不在本文的讨论范围之内。

需要注意的是，“S”表示电容器串联放置，“P”表示电容器的一端与充电线圈的两端平行放置，具体取决于拓扑结构。

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图1.不同的补偿拓扑，基于谐振元件的位置和数量(图片来源：Rakesh Kumar)

简单（S或P）补偿拓扑

最简单的补偿拓扑是S或P型，指的是将电容器串联或并联添加到系统的初级（发射器）或次级（接收器）侧的配置。

这些拓扑旨在提高功率传输的效率和性能。这是通过调整系统使其在共振或接近谐振时运行来实现的。

串联补偿（S）：补偿电容器与此拓扑中的线圈串联。串联补偿有助于在工作频率下产生谐振电路，这对于需要恒定电压的应用非常有用。它还有助于实现一种称为零电压开关（ZVS）的条件，从而降低电力电子设备中的开关损耗。

并联补偿（P）：在并联补偿中，电容器与线圈并联连接。这种配置将线圈的固有频率调整为系统的工作频率。它类似于串联补偿，但具有不同的电气特性和效果。并联补偿通常用于需要保持恒定电流的地方。它还倾向于对发射器和接收器之间耦合条件的变化提供更好的容忍度。

基本补偿拓扑

基本补偿拓扑是EV WPT应用的实用起点。请注意，每个基本拓扑都结合了两个字母S和P。第一个字母是指WPT初级侧线圈中的补偿类型，第二个字母是指WPT次级侧线圈中的补偿类型。

•串联-系列（SS）：发射器和接收器线圈与电容器串联，如图2所示。这种拓扑结构因其简单性和在变化负载条件下保持恒定电压的有效性而受益。

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图2.SS补偿拓扑类型（图片来源：Rakesh Kumar ）

SS拓扑以其高效率、不受磁耦合系数的影响和对谐振频率的负载而闻名。它适用于具有较长主磁道的系统。

• 串并联（SP）：图3显示了SP类型，其中发射器线圈与电容器串联，而接收器线圈与电容器并联。这种拓扑结构适用于在耦合条件或负载变化的情况下保持恒定电流输出的应用。它还因影响补偿网络的功率因数和输入到输出电压的传输函数而闻名。SP补偿拓扑特别适用于负载阻抗变化的应用。

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图3.SP补偿拓扑类型（图片来源：Rakesh Kumar）

•并联串联（PS）：在这种拓扑中，发射器线圈与电容器并联，接收器线圈与电容器串联（图 4）。它适用于主要目标是提高整个系统的电压增益的场景。

PS补偿拓扑特别适用于弱磁耦合的应用。它具有提高功率因数、提高功率传输效率以及在弱耦合情况下具有更好的性能等优势。

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图4.一种PS补偿拓扑类型（图片来源：Rakesh Kumar ）

• 并行-并行（PP）：PP补偿拓扑类型。发射器和接收器线圈与电容器并联。这种拓扑通常用于需要在可变距离上实现高效率和高功率传输的大功率应用。

PP 补偿拓扑与PS补偿拓扑有许多相同的功能。因此，它适用于弱耦合情况，并提供高效率和功率因数。

总结

简单的（S或P）型补偿拓扑在EV WPT应用中并不常见，因为它们可以满足一些要求。它们还具有低效率和低功率因数，尽管它们的控制机制更简单。

将电容器串联在发射器线圈中比并联更有利。对于这个问题，SS和SP补偿类型勾选了EV应用的许多WPT参数。但是，PS和PP补偿类型对于高功率应用非常有用。

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