感應耦合電動汽車無線充電的關鍵因素分析

湖南鐵道職業技術學院 高巧玲

株洲變流技術國家工程研究中心有限公司 秦燦華

湖南鐵道職業技術學院 余 娟

感應耦合電動汽車無線充電的關鍵因素分析

湖南鐵道職業技術學院 高巧玲

株洲變流技術國家工程研究中心有限公司 秦燦華

湖南鐵道職業技術學院 余 娟

感應耦合無線電能傳輸相比較微波式、電磁諧振式耦合，具有充電效率高、成本低的優點，是比較適合電動汽車非接觸式充電的，現在的國內外學者正大力研究。本文主要分析影響感應耦合電動汽車無線電能傳輸的效率的關鍵因素。分別從逆變電路和松耦合變壓器入手，包括頻率、互感值、原副邊線圈內阻及負載對系統傳輸功率和效率的影響。

感應耦合；電動汽車；無線充電；效率

0 引言

新型環保電動汽車的出現，可以緩解全球能源危機及環境污染雙重問題，而目前的充電方式限制了電動汽車的普及，目前的充電方式都是采取有線充電，通過人工插拔，用電纜將電動汽車上的負載電池和充電樁連接，這種方式安全隱患較多，容易出現漏電和觸電危險，且應用范圍不廣。無線電能傳輸可以解決有線充電的弊端，通過非接觸式傳輸電能，如圖1所示，通過分離發射和接收裝置，通過無線方式實現電動汽車的充電，發射裝置埋設于路下，接收裝置安裝在電動汽車的底盤上，當發射裝置感應到接收裝置時進行能量的傳輸，這種方式不僅可以用于給停靠的電動汽車進行充電，還可以在行駛過程中進行充電，解決了電池容量低，續航能力差的問題。根據能量發射裝置和能量接收裝置實現無線傳輸的方式，目前的電動汽車無線充電方式主要有兩種：感應耦合式和諧振式，本文主要針對感應耦合式的電動汽車無線充電方式進行研究。

圖1 電動汽車無線充電系統

1 電動汽車感應耦合無線充電系統

感應耦合無線充電系統根據法拉第電磁感應原理，變化的電場產生磁場，變化的磁場產生電場，兩者相互依存就形成了電磁場。如圖2所示通過從電網電壓取電，經過整流濾波、高頻逆變產生高頻交流電通過初級線圈傳送給次級接收線圈，接收端將接收到交流通過整流濾波電路轉換為直流，然后通過DC-DC電路轉換成負載電池組所需要的電壓，整個過程發射端和接收端無電氣連接，實現了無線充電。該系統中，整流濾波電路完成將交流電變成直流電，高頻逆變電路將工頻直流電轉化為高頻交流，由于初級線圈和次級線圈間存在氣隙，所以叫做松耦合變壓器。根據系統組成可知，高頻逆變部分是系統的關鍵，該電路的效率、穩定性及可靠性影響整個系統的性能，其次就是松耦合變壓器，原副邊氣隙較大，導致耦合系數低、漏感大。

圖2 感應耦合無線充電系統

2 影響感應電動汽車無線充電的關鍵因素

根據電動汽車無線充電系統可知，影響電動汽車無線充電的關鍵因素主要有高頻逆變電路，松耦合變壓器、負載電阻等等，本文就高頻逆變電路的設計和松耦合變壓器和負載電阻對整個系統的效率的影響進行分析。

3 高頻逆變電路對系統效率的影響

高頻逆變電路是松耦合變壓器前端，它將從電網獲得的交流經過整流濾波電路后逆變成高頻交流，高頻交流通過松耦合變壓器的原邊線圈發射給次級線圈，它的效率、穩定性和可靠性影響整個充電系統的性能。高頻逆變電路根據結構分為半橋逆變和全橋逆變，半橋逆變電路結構簡單，成本低，但是輸出電壓只有輸入電壓的一半，在相同功率需求下，傳輸損耗大，且它適用于功率在500W以下的情況，所以一般不用在電動汽車無線充電系統的發射端。全橋逆變由四個高頻功率開關管組成，控制開關管就可以控制輸出功率，輸出功率大，轉換效率高，可以采用軟開關技術，電動汽車無線充電需要大功率，且要求效率高，所以電動汽車無線充電系統一般采取全橋逆變。

4 松耦合變壓器對系統效率的影響

電動汽車無線充電系統中的松耦合變壓器，初級線圈部分埋設于地下，次級部分在汽車底盤上，底盤和地面存在豎直方向的氣隙，如果在水平位置沒有對準，還存在水平偏移，所以電動汽車無線充電系統中的松耦合變壓器的耦合系數通常在0.8以下，漏感較大，漏感大，系統的無功功率大，為了提高系統效率，需要增加補償電容進行無功補償，補償電路按照原副邊電容的串并聯方式分為串聯-串聯（SS）、串聯-并聯（SP）、并聯-串聯（PS）和并聯-并聯（PP），本文以SS結構為例，說明功率和效率的關系，根據[6]可知輸出功率和效率的表達式為：

其中RP為原邊線圈內阻，RS為副邊線圈內阻，RL為負載，M為互感，ω為工作頻率，Pout為輸出功率，η為效率，由式可知系統的傳輸功率和效率主要和頻率、互感值、原副邊線圈內阻及負載有關。

通過設置實驗，在其他條件相同的情況下，改變互感值M，得到M對效率的影響為：隨著M的增大，Pout慢慢增大，M到24μH時，Pout最大，再增大M，Pout下降。而M主要是受耦合系數K的影響，如果采用漏感模型，可以得到Pout、η和耦合系數之間的關系，經試驗驗證，效率會隨著耦合系數的增大而增大，當處于緊耦合，即K＞0.5時，效率η＞90%，隨著K增大，Pout也增大，Pout增大到最大值時會下降，此時K≈0.15，η≈90%，為了平衡輸出功率和效率的關系，一般要求耦合系數至少在0.2-0.3，這時功率和效率相對較高。

因為ω=2π f，代入式（1-1）中，可知輸出功率和效率與頻率的關系，經實驗驗證，效率會隨著頻率的增加而增大，當頻率到達10KHZ左右，效率基本保持不變，而輸出功率開始隨著頻率增大而增大，然后達到最大值后隨著頻率增大而下降。輸出功率和效率不能同時達到最大，所以設計電路時要綜合考慮，使得在最大功率傳輸時效率也能滿足要求。

電動汽車上的無線接收裝置和地面下的無線發射裝置，一旦確定很難更改，所以本文假設原副線圈內阻為定值，根據式（1-1），輸出功率和效率，還與負載電阻有關，經實驗驗證，隨著負載的增大，效率先急劇上升，輸出功率也增加，在負載等于500歐姆時，輸出功率最大，在0-50歐姆時效率高于90%，超過500歐姆后效率只有不到50%。

5 結論

本文主要從逆變電路和松耦合變壓器電路進行入手，講述了影響感應耦合電動汽車無線充電的關鍵因素—頻率、互感值、負載電阻。

[1]程鵬天．基于感應耦合電能傳輸方式的電動汽車充電裝置研究[D]．北京交通大學,2014．

[2]王彬．非接觸電能傳輸系統傳輸效率相關問題研究[D]．南京郵電大學,2015．

[3]黃敏．基于電磁感應的車載無線充電系統[D]．華東理工大學,2016．

[4]郭贏．電動汽車感應式無線電能傳輸系統優化及實驗研究[D]．東北電力大學,2016．

[5]張國興．電動汽車用感應耦合輸電系統研究[D]．河北工程大學,2017．

[6]趙金萍．高效率電動汽車無線充電系統的研究與設計[D]．天津工業大學,2017．

注：本課題是湖南省教育廳課題（課題號：15C0902）。