感應式電能傳輸系統串聯-串聯補償架構用於電動車充電器的設計和執行 2018/11/27 感應式電能傳輸系統串聯-串聯補償架構用於電動車充電器的設計和執行 Design, implementation issues and performance of an inductive power transfer system for electric vehicle chargers with series–series compensation 指導教授：蔡明村 博士 學 生：江銘棟 García, Xavier del Toro, Javier Vázquez, and Pedro Roncero-Sánchez. "Design, implementation issues and performance of an inductive power transfer system for electric vehicle chargers with series–series compensation." Power Electronics, IET 8.10 (2015): 1920-1930. 2018/11/27

2018/11/27 大綱 摘要 簡介 IPT原理及配置 串聯補償特性 IPT系統設計 實驗結果 結論 參考資料 2018/11/27

2018/11/27 摘要 本文提出一非接觸式電池充電器的設計，並根據電動車充電器常 見的規格和實際上會遇到的問題設計。在IPT系統中主要設計的參 數為補償電路部分，分別有四個參數，Cp、Cs、Lp、Ls。而補償 電路有四種組合，綜合分析後，本文選擇SS補償電路來進行實驗 ，最後提供一些實驗數據進行驗證。 2018/11/27

簡介 非接觸電力傳輸在許多應用上正快速發展中，電動車充電器就是其中一項；非接觸電力傳輸可以達到真正的電器隔離，可以避免接點短路的問題，在一些潮濕、揮發性、沙塵較重的場合下也更加的安全。當然也存在一些缺點，因為耦合系數較低，所以效率會比一般的變壓器低，且設計也較為複雜。 IPT系統是藉由兩個獨立線圈在傳輸能量，一般來說這種系統的漏感都很大，能量傳遞到二次測的部分將會損失很多，所以當需要達到高功率或是高效率，在設計上是比較具有挑戰性的。 2018/11/27

簡介 在過去幾年積極推廣電動汽車和所有相關的基礎設施，像是電動汽車的電池充電站，包括無線充電器都備受關注，IPT電池充電技術在早期有制定一個標準SAE-J1773，而現今則是根據SAE J2954標準和IEC 61980 在設計IPT系統時有一個很重要的地方，就是補償電路的部分，補償電路可以在一次側、二次側線圈串聯或並聯一個電容器來實現，且必須考慮因補償電容和線圈產生的共振頻率，這樣的做法可以大大的提升能量傳輸的能力和提升效率。本文選擇了SS補償電路來進行分析，將會在下面作介紹 2018/11/27

本文主要是在分析IPT系統部分，並觀察當不同負載下Ip電流為一定值時，二次側電壓的變化。 2018/11/27

IPT原理及配置 IPT系統有兩個磁耦合線圈，電路可以等效成下圖表示，Rp為一次側線圈內阻，Lp為一次側線圈，M為互感，Rs為二次側線圈內阻，Ls為二次側線圈，Lp-M和Ls-M分別為一次側和二次側的漏感，而兩線圈之間的耦合係數可以用下式表示 2018/11/27

T 型等效電路在時域的方程可以定義如下 上面方程在穩態條件下表示成下面公式 2018/11/27

如果加入負載電阻，上述公式可改寫成以下公式 從公式(7)可以得到二次側電流的表示式 2018/11/27

而我們把公式(8)帶入公式(6)，可以得到一個新的公式 根據公式(9)可知，加入補償電容器會使Zp減少，當ip為一定值時，vp下降，這樣可以降低供電端的功率。 2018/11/27

如果二次側使用串聯補償電路且系統操作在諧振頻率 ωr，則二次側反映到一次側的阻抗可以表示成 由上面公式推導出二次側的功率計算式為 根據公式(13)如果要增加輸出功率，可以藉由調整互感、或是諧振頻率(調整諧振電容) 來達到。 2018/11/27

如果忽略鐵損、電容器的內阻，可以得出效率的公式為 (14) 最後可以從公式(14)得出結論，當減少線圈阻抗或是增加互感或是增加共振頻率，可以提升系統的效率，但是增加共振頻率也會使開關損失增加。 2018/11/27

串聯補償特性 SS 補償電路的特點，通過上面公式的推導可以證明並列出以下幾點： 1.根據公式(12)可以知道當二次側阻抗增加，即負載電阻(RL趨近於0)時，系統會有短路保護，使一次側電流不會無限增大。 2. 不需要額外的電感就能達成零電壓切換。 3.可以從公式(8)和(13)得出，二次側為定電壓源特性。 4.當一次側為串聯架構，其電容值不會受負載改變而影響 2018/11/27

1.一次側和二次側的諧振電容電壓在實際上都很大，必須考慮到耐壓的問題，成本上可能會增加。 缺點: 1.一次側和二次側的諧振電容電壓在實際上都很大，必須考慮到耐壓的問題，成本上可能會增加。 2.當負載較輕的時候(甚至開路)，這時候的Zs將會很小，會導致一次側電流增大，所以必須要注意二次側不可開路。 3.線圈之間需要對齊，可以有誤差但不可以完全沒有二次側，否則會發生第2點的問題。 2018/11/27

IPT系統設計 2018/11/27

在設計上，如果要使能量傳遞再最大化的情況，一次側和二次側的匝數需要相同，所以我們先制定Np Ns的匝數為22，再用公式求出補償電容值，在SS拓樸電路中諧振電容的電壓會比較高，所以在設計上需要特別注意電容耐壓的問題。下圖是當Ip固定在10A，模擬一次側、二次側的諧振電容電壓曲線圖。 2018/11/27

表二為實際補償電路參數 2018/11/27

實驗結果 本文為開迴路測試，開關訊號是用UCC3895來進行控制，主要量測的數據為，CH3,CH2,CH1，最後提供各階段的效率圖。 2018/11/27

a.RL為5歐姆 b. RL為10歐姆 c.RL為20歐姆,距離皆為125mm，Ch1 負載電壓, Ch2 負載電流, Ch3 vab,Ch4 一次側線圈電流 2018/11/27

二次側電壓和一次側電流關係，負載為5歐姆，距離為150mm。可以從圖得知藉由控制一次側電流，能使二次側電壓穩定在一定值，且當電流越大二次側電壓將呈線性上升。 2018/11/27

在不同距離，Ip越大輸出功率越大，且可以觀察到，二次側電壓變動的幅度不大。 2018/11/27

從圖可知線圈距離越近，在相同負載下輸出功率越大。 2018/11/27

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結論 設計一個IPT電動車電池充電器，且需要高效率和高功率的話，在設計上會比較困難。一個比較關鍵的地方在於該如何設計補償電路操作在最大化的部分，而本文選擇SS補償電路，因為SS補償電路有以下幾個優點：1.電壓源特性 2.固有的短路保護3.因為漏感較大，所以不需要額外的電感就能達成零電壓切換。4.當一次側為串聯架構，其電容值不會受負載改變而影響。 本文提供一些實驗結果來驗證SS補償電路的優點，並分析IPT系統在不同階段的各個效率。最後系統頻率操作在 18.65 KHz測試，實現功率傳輸能達 2.18 KW且最高效率為 90%，線圈間距為 125 毫米。如果要達到高效率，線圈材料的選擇也必須要考慮進去。 2018/11/27

參考資料 1 International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection ICNIRP: ‘Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1 Hz to 100 kHz)’, Health Phys., 2010, 99, (6), pp. 818–836 2 Musavi, F., Eberle, W.: ‘Overview of wireless power transfer technologies for electric vehicle battery charging’, IET Power Electron., 2014, 7, (1), pp. 60–66 3 Mayordomo, B.I., Dräger, T., Spies, P., Bernhard, J., Pflaum, A.: ‘An overview of technical challenges and advances of inductive wireless power transmission’, Proc. IEEE, 2013, 101, (6), pp. 1302–1311 4 Hui, S.Y.R., Zhong, W., Lee, C.K.: ‘A critical review of recent progress in mid-range wireless power transfer’, IEEE Trans. Power Electron., 2014, 29, (9), pp. 4500–4511 5 Hui, S.Y.R., Ho, W.W.C.: ‘A new generation of universal contactless battery charging platform for portable consumer electronic equipment’, IEEE Trans. Power Electron., 2005, 20, (3), pp. 620–627 6 Boscaino, V., Pellitteri, F., Rosa, L., Capponi, G.: ‘Wireless battery chargers for portable applications: design and test of a high-efficiency power receiver’, IET Power Electron., 2013, 6, (1), pp. 20–29 7 Yilmaz, M., Krein, P.T.: ‘Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles’, IEEE Trans. Power Electron., 2013, 28, (5), pp. 2151–2169 2018/11/27

參考資料 8 Hayes, J.G., Egan, M.G., Murphy, J.M.D., Schulz, S.E., Hall, J.T.: ‘Wide-load-range resonant converter supplying the SAE J-1773 electric vehicle inductive charging interface’, IEEE Trans. Ind. Appl., 1999, 35, (4), pp. 884–895 9 SAE J2954: ‘Wireless charging of electric and plug-in hybrid vehicles’, Work in Progress 2018/11/27

2018/11/27 簡報完畢~感謝各位 2018/11/27