基于微電網(wǎng)的電動汽車無線充電技術(shù)

王淑雅，周 強

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近年來，作為清潔能源汽車的代表，電動汽車（EV）得到了迅速發(fā)展[1-4]。與傳統(tǒng)的有線充電方式相比，無線電力傳輸（WPT）[5-8]具有運行安全、智能充電、配置靈活等優(yōu)點，可降低電動車電池的使用數(shù)量，以減少能源消耗。相對于傳統(tǒng)的大型電網(wǎng)，本文采用的微電網(wǎng)不僅可為小區(qū)提供電能和熱能，還可通過電力電子接口連接到電網(wǎng)，為大型電網(wǎng)提供電力或從大型電網(wǎng)中提取電力[5]。本文基于整個系統(tǒng)建模，采用Matlab / SimuLink進(jìn)行仿真分析。仿真和實驗結(jié)果表明，微電網(wǎng)的可行性對電動汽車無線充電具有重要意義和廣泛的實用價值。

1 微電網(wǎng)電動汽車的無線充電系統(tǒng)

微電網(wǎng)無線充電系統(tǒng)由微電網(wǎng)系統(tǒng)、無線電能量傳輸系統(tǒng)和電動汽車電池充電系統(tǒng)組成。

1.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電。由于光伏陣列的輸出特性、太陽光強度及溫度等因素的影響[6-8]，為了使光伏電池在不同照明條件下處于最大功率輸出狀態(tài)，并充分利用太陽能，選擇可行的最大功率點跟蹤算法非常重要。最大功率點跟蹤（MPPT）[9]中常用的控制方法包括爬升法、基于梯度增量的電導(dǎo)增量法、恒壓法及增量電導(dǎo)法等[10]。光伏系統(tǒng)直接連接直流母線，電池通過雙向DC/DC并聯(lián)到直流母線上，光伏最大功率點跟蹤和電池充放電由電池側(cè)DC/DC完成。當(dāng)溫度恒定時，檢測光強度，最大光伏功率輸出值由歷史數(shù)據(jù)獲得。

1.2 無線電能量傳輸系統(tǒng)

無線電能量傳輸模塊基于磁耦合諧振無線電傳輸[11]。發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率結(jié)構(gòu)，進(jìn)而電能由激勵電源發(fā)出，通過通道傳給負(fù)載回路。

1.3 電動汽車電池充電系統(tǒng)

電動汽車電池充電系統(tǒng)如圖1所示。無線接收線圈均放在電動汽車上。AC/DC模塊對接收到的高頻電壓進(jìn)行整流和濾波，然后通過DC/DC根據(jù)車載電池的要求，DC控制器對車載電池執(zhí)行快速/慢速、恒壓/恒流充電。本文選擇靜態(tài)鉛酸電池模型作為電動汽車的電池模型[12]，鉛酸電池的充、放電特性如圖2所示。

圖1 電動汽車電池充電系統(tǒng)

圖2 鉛酸蓄電池充放電特性

從圖2中可以看出，在電池初始充電期間，端口電壓顯著上升，電流緩慢變化。因此，根據(jù)電池的充電特性，設(shè)計圖3所示的電動汽車無線充電控制方案。整體控制方案如圖3（a）所示；當(dāng)板上電池端口電壓較低時，采用恒電流充電控制方案，如圖3（b）所示；當(dāng)充電狀態(tài)（SOC）改變并且機載電池端口的電壓升高時，采用恒電壓充電控制方案，如圖3（c）所示。當(dāng)車載電池電壓達(dá)到其最大電壓且充電電流小于其最小電流時，電池停止充電。

圖3 電動汽車的無線充電控制方案

2 系統(tǒng)仿真

為了驗證本文系統(tǒng)設(shè)計的合理性，使用Matlab /SimuLink軟件為電動汽車提供無線網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為100 kHz高頻電壓經(jīng)AC/DC模塊整流濾波后形成的直流電。直流設(shè)備完全充電以滿足所需電壓，其仿真結(jié)果如圖4（b）所示。

圖4 微電網(wǎng)電動汽車無線充電系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

相較于傳統(tǒng)通過有線連接（即電纜連接）方式為電動汽車進(jìn)行充電的大電網(wǎng)，本文提出了一種利用微網(wǎng)為電動汽車無線充電的新技術(shù)。仿真和實驗結(jié)果表明，利用微網(wǎng)為電動汽車進(jìn)行無線充電具有廣闊的應(yīng)用前景。