電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)研究

方楚良，沈錦飛

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

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電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)研究

方楚良，沈錦飛

(江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

摘要:電動(dòng)汽車無線充電是一個(gè)熱門研究方向。依據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸原理，設(shè)計(jì)了一種磁耦合諧振式無線充電裝置，對(duì)傳輸功率以及傳輸效率影響因素進(jìn)行了分析，并給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后制作了一臺(tái)功率為1 kW，磁耦合諧振頻率70 kHz的電動(dòng)汽車無線充電實(shí)驗(yàn)裝置。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)行效果理想。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；磁耦合諧振；等效模型；無線充電

0　引　言

電動(dòng)汽車具有較低的環(huán)境污染，同時(shí)可以較好地解決化石能源短缺的問題，因此是低碳經(jīng)濟(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。電動(dòng)汽車的充電一直是研究熱點(diǎn)，隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，便捷多樣的充電方式越來越受歡迎。目前電動(dòng)汽車多采用有線充電式，充電時(shí)間較長(zhǎng)，占用空間大，同時(shí)頻繁拔插電源電線既不安全，也容易造成設(shè)備老化磨損[1]。而無線電能傳輸技術(shù)使用方便、安全，設(shè)備積塵較少，且無接觸損耗、機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，因此無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。

現(xiàn)階段無線電能傳輸主要有三種技術(shù)：感應(yīng)耦合技術(shù)、磁耦合諧振技術(shù)，以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)。其中感應(yīng)耦合技術(shù)原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但是傳輸距離很短，線圈位移以及頻率變化對(duì)傳輸效率的影響較大。遠(yuǎn)場(chǎng)輻射技術(shù)通過激光束方式傳播電能，目前的研究依然處在理論階段，同時(shí)這種無線電能傳播方式不適用于電動(dòng)汽車無線充電[2]。而磁耦合諧振式無線充電技術(shù)是中等距離的無線電能傳輸技術(shù)，在空間相對(duì)位置下能量損耗小，且傳輸穩(wěn)定，同時(shí)電磁輻射對(duì)人體的影響極小[3]，因此電動(dòng)汽車采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)是一個(gè)高效率、安全、穩(wěn)定的選擇。

1　磁耦合諧振式無線充電等效模型分析

根據(jù)磁耦合諧振式無線電能傳輸相關(guān)理論，傳輸系統(tǒng)由發(fā)射線圈、接收線圈以及各自的諧振電容串聯(lián)組成兩側(cè)的諧振電路，且具有相同的諧振頻率，在波長(zhǎng)范圍內(nèi)，通過磁耦合，進(jìn)行能量傳輸[4，5]。傳輸系統(tǒng)等效模型如圖1所示。其中L1為發(fā)射線圈電感，L2為接收線圈電感，C1、C2為兩側(cè)對(duì)應(yīng)的諧振電容，M為兩線圈的互感，R1、R2為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電阻，RL為負(fù)載等效電阻。

圖1 傳輸系統(tǒng)等效模型

由基爾霍夫電壓定律(KVL)對(duì)等效模型列方程可得：

(1)

式中，

(2)

由式(1)及式(2)求得：

(3)

據(jù)此可計(jì)算發(fā)射端阻抗為：

(4)

根據(jù)式(3)的結(jié)果求得電源功率PE與負(fù)載功率PL為：

(5)

由式(5)求得系統(tǒng)傳輸效率為

(6)

由式(5)及式(6)可看出，當(dāng)線圈參數(shù)以及諧振電容確定后，系統(tǒng)傳輸功率以及傳輸效率只與ω以及d有關(guān)，即只與頻率與線圈距離有關(guān)，與發(fā)射線圈和接收線圈的橫向錯(cuò)位無關(guān)[6]。因此，在無線電能傳輸中，應(yīng)使電路始終處于諧振狀態(tài)，使其在發(fā)射線圈和接收線圈具有橫向錯(cuò)位時(shí)可保持相對(duì)最優(yōu)傳輸功率。

2　磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)構(gòu)成如圖2，一般采用車底充電，即發(fā)射端安裝于地下，發(fā)射線圈水平放置于地面，接收端安裝于電動(dòng)汽車上，接收線圈置于車底。發(fā)射線圈與接收線圈距離為d，二者橫向錯(cuò)位距離為l。輸入電源經(jīng)過能量變換通過發(fā)射線圈，使發(fā)射線圈產(chǎn)生諧振，從而與接收線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)耦合，實(shí)現(xiàn)電能傳輸。然后在接收端通過能量調(diào)理將電能傳輸至超級(jí)電容儲(chǔ)能。

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)框圖如圖3，系統(tǒng)分為主電路和控制電路兩部分。

圖2 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)框圖

在控制電路部分，功率調(diào)節(jié)采用直流斬波調(diào)功，調(diào)節(jié)斬波器開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間就可得到介于0～Ut之間的電壓。發(fā)射端諧振回路電流I1通過反饋電流檢測(cè)電路變換成同頻率的方波電壓，經(jīng)頻率跟蹤電路產(chǎn)生頻率跟蹤信號(hào)，輸入PWM信號(hào)產(chǎn)生電路，產(chǎn)生所需諧振頻率的PWM控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制全橋逆變電路的開關(guān)管。同時(shí)為防止全橋逆變電路上下橋臂直通短路，在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)間保留了很小的死區(qū)，因此發(fā)射端電路工作在感性狀態(tài)，即電壓U1超前電流I1，實(shí)現(xiàn)零電壓開通及小電流關(guān)斷。

3　實(shí)驗(yàn)與分析

設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)功率1 kW的小型電動(dòng)車磁耦合諧振式充電裝置，如圖4所示。發(fā)射線圈與接收線圈均為30匝，半徑為0.2 m，背面采用正方形導(dǎo)磁片拼接，導(dǎo)磁片邊長(zhǎng)為0.1 m，諧振補(bǔ)償電容C1=C2=30 nF，發(fā)射端與接收端傳輸距離為d=0.25 m，小車采用多個(gè)超級(jí)電容串聯(lián)進(jìn)行儲(chǔ)能。在小車上安裝傳感器使其在軌道上做往返勻速運(yùn)動(dòng)，小車上的數(shù)碼管顯示超級(jí)電容的儲(chǔ)能電壓。系統(tǒng)傳輸頻率為69.4 kHz。當(dāng)發(fā)射線圈與接收線圈處于對(duì)準(zhǔn)位置時(shí)，即二者橫向錯(cuò)位l=0時(shí)，傳輸功率取得最大值，為0.92 kW，此時(shí)發(fā)射端輸出功率1.08 kW，傳輸效率為85.18%。

圖4 小型電動(dòng)汽車磁耦合諧振式充電裝置

發(fā)射線圈和接收線圈橫向錯(cuò)位l=10 cm時(shí)，發(fā)射端輸出電壓U1、輸出電流I1，以及接收端輸出電壓U2、輸出電流I2波形如圖5所示。

圖5 發(fā)射線圈及接收線圈電壓電流波形

由波形圖可見發(fā)射端輸出電壓近似方波，發(fā)射端接收端輸出電流近似正弦波，發(fā)射端的電壓U1超前電流I1，電路工作于感性負(fù)載狀態(tài)。

4　結(jié)束語

本文通過對(duì)磁耦合諧振式無線電能傳輸原理及模型分析，設(shè)計(jì)了充電系統(tǒng)，并給出了工作過程，當(dāng)合理選擇系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，電能傳輸?shù)男Ч^好。由實(shí)驗(yàn)可見，所設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電器工作穩(wěn)定，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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沈錦飛(1955-)，男，教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

研制開發(fā)

Research on Magnetic Coupling Resonant Wireless Charging System for Electric Vehicle

FANG Chu-lang, SHEN Jin-fei

(College of Internet of Things, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract:Wireless charging for electric vehicle is a hot research topic. A wireless charging system is designed based on the principle of magnetic coupling resonant wireless power transmission. Elements influencing power and efficiency of transmission are analyzed, and system design considerations are presented. A 1 kW 70 kHz charging device is designed. Experimental results show that the system works stably and has a good effect.

Key words:electric vehicle; magnetic coupling resonant; equivalent model; wireless charging

中圖分類號(hào)：TM646

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0029-03

作者簡(jiǎn)介：方楚良(1989-)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

基金項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新 (BY2012069)。