基于微網的電動汽車無線充電系統研究

肖朝霞 劉 杰

（天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

1 引言

電動汽車（Electric Vehicles，EV）作為加快能源轉型、實現低碳經濟的重要途徑，引起了越來越多國家的重視，汽車的電氣化是未來發展的必然趨勢[1-2]。然而，電動汽車充電問題一直是制約電動汽車發展的關鍵性問題之一。目前，電動汽車普遍采用的充電方式是利用充電樁或充電站通過導線與電網進行有線連接(即電纜連接)，從電網獲取電能為電動汽車進行常規充電、快速充電和換電，但是有線的充電方式存在易產生火花、易磨損、不易維護、不夠靈活等弊端[3]。

無線電能傳輸技術[4-5](Wireless Power Transmission,WPT)由于采用非接觸式傳輸電能，彌補了傳統直接接觸供電方式的弊端，具有很多優點。目前，無線電能傳輸方式主要有電磁感應式[6]、磁耦合諧振式[7]和微波輻射式[8]三種。本文采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，由于其利用近場電磁波進行能量交換，是一種非輻射性、高效、支持較大功率、中距離輸電的新型技術,故該技術一經出現便應用于電動汽車充電領域。文獻[9]就磁場諧振耦合的無線電力傳輸裝置的實驗模型進行研究，文獻[10]對無線電能傳輸技術的基礎理論及工程應用進行研究。

此外，隨著電動汽車的不斷推廣，大規模的電動汽車接入電網勢必會對電網的安全產生影響，而且根據我國電力系統的能源利用現狀，通過電網對電動汽車充電，所產生的碳排放量并不比傳統燃油汽車更低，并且也難以降低對傳統化石燃料的依賴。相對于傳統大電網而言的微網，集成了分布式電源（Distributed Generation,DG）（光伏、風力、微型燃氣輪機等）、負荷、儲能系統和控制裝置構成獨立的系統，既可以獨立向小型區域提供電能和熱能，又可以通過電力電子接口與傳統電網連接并網運行，向大電網提供電能或從大電網吸取電能。

采用微網利用新能源為電動汽車供電，不僅能夠有效減小大規模電動汽車充電對電網產生的威脅，同時能夠對新能源進行就地消納，做到真正的‘零排放’，有助于提高能源系統整體運行的經濟和環境效益。文獻[11]提出了一種利用可再生能源和電動汽車進行電能傳輸分配的新型直流微電網。文獻[12]設計了一種基于太陽能發電的“多端口充電”直流微網，可滿足插電式混合動力轎車和高爾夫場地電動車充電需要。

將微網與無線充電技術相結合應用到電動汽車充電系統中，可有效降低電動汽車充電對電網的沖擊，同時解決了有線充電帶來的一系列問題。本文在對整個系統建模的基礎上，利用Matlab/Simulink進行了仿真分析，其結果進一步驗證了系統設計的可行性。此外，本文對電動汽車無線充電系統進行了設計，并通過實驗進行了驗證。仿真和實驗結果表明，研究微網為電動汽車無線充電具有重要意義和廣泛的實用價值。

2 采用微網的電動汽車無線充電系統

實驗系統結構如圖1所示，該結構由微網系統、無線電能傳輸系統、電動汽車充電系統三部分共同組成。微網為無線電能傳輸系統提供所需電能，無線電能傳輸系統將電能傳到電動汽車上，根據電動汽車充電需求為車載電池進行充電。

圖1 微網為電動汽車無線充電整體結構圖Fig.1 The integral structure of electric vehicles wireless charging based on micro-grid

2.1 微網系統

微網系統如圖1a所示，該系統采用清潔高效、安置方便的光伏與蓄電池組合，因此可有效解決光伏發電功率受光照和溫度變化的影響。光伏系統直接與直流母線連接，蓄電池通過雙向 DC-DC并聯在直流母線上，光伏的最大功率跟蹤和蓄電池充放電由蓄電池側的DC-DC完成，采用的控制器如圖2所示。當電動汽車在白天充電時，將光伏最大功率跟蹤電壓Vmpp作為DC-DC升壓的參考電壓，通過光伏和蓄電池的協同工作，使光伏最大功率輸出。夜間充電時,電動汽車只采用蓄電池充電。

圖2 MPPT控制策略結構圖Fig.2 The structure of MPPT control strategy

2.2 無線電能傳輸系統

圖3a所示為電動汽車無線電能傳輸系統實際等效電路，采用 SS型電路拓撲結構，它具有諧振頻率不受源、副邊耦合系數的影響，且更容易實現大功率傳輸的特點。圖中，L1和R1分別為源邊電感和電阻，Cr1為諧振電容，與L1產生諧振，其頻率值與逆變器開關頻率相等。因此，L1與Cr1產生的阻抗為零。

圖3 無線電能傳輸系統等效電路Fig.3 Equivale circuits of proposed power transmitter system

根據基爾霍夫電壓定律(KVL)和歐姆定律，對圖3a所示模型進行電路分析，可得到如下矩陣

式中，M為源邊與副邊之間的互感，由于存在較大空隙，故其值很小。

圖3b所示為系統處于諧振狀態下的等效電路。電感量與電容量相互抵消，等效電路中僅存在電阻，電路方程如下

因此可見，應用諧振電容可消除電感量 L1和L2，同時系統整個阻抗也顯著減小。在實際電動汽車無線電能傳輸系統設計中，高頻逆變器輸出頻率和線圈固有諧振頻率保持一致，從而實現高效的能量傳輸。

圖4所示為高頻逆變裝置DC-AC。它將來自微網的直流電壓逆變成 100kHz的高頻交流電為無線電能傳輸線圈部分供電。

圖4 高頻逆變裝置Fig.4 High frequency inverter device

收發線圈的優化設計是電動汽車無線電能傳輸系統設計的核心部分，直接決定著無線電能傳輸的成功與否和傳輸的功率、效率。設計時需要滿足：保持相同的固有諧振頻率；具有較高的Q值。除此之外，還要涉及尺寸大小、線圈直徑、線圈線徑、線圈材質、線圈周長等因素。在設計過程中，某些因素往往是相互影響的，因此參數的確定順序以及優化非常重要。

本文設計的電動汽車收發線圈采用 Litz線繞制，它包含多股細銅線可有效減小電流的趨膚效應引起的電阻，從而降低系統損耗，圖5為收發線圈結構。

圖5 發射、接收線圈結構Fig.5 The structure of wireless transmitting and receiving coils

2.3 電動汽車電池充電系統

電動汽車充電系統如圖1c所示，該部分及無線接受線圈均安放在電動汽車上，AC-DC模塊將接收到的高頻電壓整流、濾波變換成直流電，最后通過DC-DC控制器根據車載電池的需要為車載電池進行快速或慢速的恒壓或恒流充電。

根據車載電池充電特性設計控制策略如圖6所示。當車載電池端口電壓較低時采用恒電流控制（圖6b），隨著車載電池電能增多，充電狀態（SOC）發生變化，車載電池端口電壓升高，當達到95%的車載電池額定電壓時，由恒電流充電轉換為恒電壓充電圖（6c）。當車載電池電壓達到其最大電壓且充電電流小于其最小電流時，蓄電池充電已滿，停止充電。

圖6 電動汽車電池充電控制器Fig.6 Electric Vehicles battery charging control

3 仿真與實驗結果分析

為了驗證系統設計的合理性，本文使用 Matlab/Simulink軟件對圖1所示的微網為電動汽車無線供電系統進行仿真。仿真參數如表所示。

表 仿真參數

圖7a為光照強度為200W/m2，溫度為25℃時，光伏在蓄電池配合下，光伏輸出功率維持最大功率跟蹤Pmpp，直流母線電壓（光伏輸出電壓）維持最大功率跟蹤電壓Vmpp。圖7b為夜間充電時，蓄電池為其供電，直流母線電壓維持在500V。

圖7 微網為電動汽車無線充電系統仿真結果Fig.7 Simulation results of electric vehicles wireless charging system based on micro-grid

由于光伏輸出的為直流電，相較于電網供電省去了整流器的使用，減少了由于電力電子器件的使用而產生的諧波等問題，同時也減少了系統的成本，高頻逆變器 DC-AC將來微網直流電壓直接逆變為100kHz的高頻電壓，為無線電能傳輸部分提供電能。圖7c為經高頻逆變之后的電壓、電流。

無線供電部分作為能量傳輸的關鍵部分，在整個的系統中起到至關重要的作用，對諧振式無線電能傳輸部分的參數進行優化，電能的傳輸效率能夠到達 80%以上，圖7c、圖7d為無線發射端與接收端的電壓/電流波形。

電動汽車的車載電池參數采用日系leaf模擬仿真，電動汽車上的控制系統將無線接收端接收到的100kHZ的高頻電壓經AC-DC模塊整流、濾波成直流如圖7e，最后通過 DC-DC器得到滿足電動汽車電池充電需要的電壓為其充電。仿真結果所示如圖7f。仿真結果證明了整體系統結構的可行性。

為了進一步驗證系統設計的可行性，本文對無線電能傳輸部分做了實驗研究。如圖8所示為當發射端與接收端間距為35cm時，無線電能傳輸實驗系統發射、接收電壓。圖中所示曲線為通過通道間具有隔離措施的TPS2014示波器測量到的發射端與接收端的電壓曲線。測量結果顯示后者落后前者π/2個電角度，該結果與理論研究中中系統發生諧振時的電壓增益關系相吻合。

圖8 無線電能傳輸實驗系統發射、接收電壓Fig.8 The experimental system of wireless transmitting and receiving coils voltage

由遠及近改變發射線圈與接收線圈的距離（10～135cm），測量輸入輸出端電壓和電流，對系統傳輸效率進行計算。圖9為系統在頻率固定和頻率跟蹤兩種情況下效率-距離關系曲線。由跟蹤曲線可知：無線電能傳輸系統加入頻率跟蹤控制可有效提高系統傳輸效率。圖中A點為無線電能傳輸系統的臨界耦合點，該點所決定的范圍即是“電能有效傳輸范圍”。

圖9 頻率固定和頻率跟蹤兩種情況下效率-距離關系曲線Fig.9 Efficiency-distance characteristic curve with/without frequency tracking

4 總結

相較于傳統的大電網通過有線連接(即電纜連接)方式為電動汽車進行充電，本文提出了一種利用微網為電動汽車無線充電的新技術。為證明系統的正確性與合理性，應用Matlab/Simulink對基于微網的電動汽車無線充電系統研究進行了仿真，仿真結果表明光伏與蓄電池組合在白天工作于MPPT模式供電，夜間蓄電池處于單獨放電模式供電，均能通過無線電能傳輸實驗系統為電動汽車提供較為穩定的電壓。無線傳能傳輸部分搭建的實驗系統表明了其可行性。仿真和實驗結果表明利用微網為電動汽車無線充電將具有重要應用前景。

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