電動車用磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的電路模型設(shè)計(jì)

劉凌飛，趙帥，張志雄，趙瑞林

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽 車與交通學(xué)院，天津 300222）

前言

在環(huán)保與能源危機(jī)的重重壓力之下，新能源汽車成為綠色出行的主力軍。在此契機(jī)下，各國政府及各大汽車廠商積極推進(jìn)電動汽車的發(fā)展。電動汽車的普及，不僅需要提高其整車技術(shù)、續(xù)航里程等，還需要考慮能源供給端，即充電效率、充電方式的改良。現(xiàn)階段，電動汽車充電設(shè)施尚不夠健全，傳統(tǒng)插電式的充電方式較為笨重，操作較為繁瑣，安裝位置受限，存在安全隱患。相較而言，無線充電技術(shù)較為安全、便捷，維護(hù)率低，適用范圍較廣，受到汽車行業(yè)的關(guān)注，無線充電技術(shù)不失為電動汽車供電技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前，市場上采用充電樁的有線充電技術(shù)相對成熟，而與有線充電樁相比，無線充電方式擺脫有形輸電介質(zhì)的束縛，不需要設(shè)置充電接口、充電線即可對電動汽車進(jìn)行充電，不僅節(jié)約材料成本，且充電時能夠不受充電場地的限制，可以靈活的應(yīng)用于各種場地，解決了線束裸露、繁雜的劣勢，順應(yīng)著新能源汽車未來的發(fā)展趨勢。

1 背景與意義

無線充電的方式大致分為五種，即電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式、電場耦合式、無線電波式、激光式。電磁感應(yīng)式無線充電方式對收發(fā)線圈的同軸度要求極高，如若在充電過程中收發(fā)線圈沒有嚴(yán)格對齊，將會導(dǎo)致充電效率大幅度降低，造成極大的電能浪費(fèi)；而磁耦合諧振式無線充電方式不需要嚴(yán)格對齊，憑借共振效應(yīng)，可穿越障礙物，使接收端產(chǎn)生共振電能，能有效地解決感應(yīng)式無線充電的對齊限制。此外，磁耦合諧振式無線充電能夠同時對多個具有相同頻率的接收線圈進(jìn)行能量發(fā)射與接收，能有效縮短電動車充電時間，減少汽車的電池?cái)y帶量，提高充電效率，節(jié)省設(shè)備安裝成本，減少充電業(yè)務(wù)的人工干預(yù)程度，使電動汽車充電系統(tǒng)更加便捷、可靠。

2 系統(tǒng)模型理論分析與設(shè)計(jì)

我們結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)與理論，研究討論了一種磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的理論和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)在傳統(tǒng)的驅(qū)動方式中加入環(huán)路反饋控制，在系統(tǒng)參數(shù)改變時對驅(qū)動電路導(dǎo)通時間進(jìn)行精確調(diào)整，達(dá)到零電流開關(guān)的目的，從而實(shí)現(xiàn)高效率的近場無線電力傳輸。系統(tǒng)主要由三部分組成：電源發(fā)射系統(tǒng)，能量傳輸系統(tǒng)和能量接收系統(tǒng)。電源發(fā)射系統(tǒng)作為電能供給部分，主要用來產(chǎn)生一定頻率的功率交流電；能量傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射線圈與接收線圈兩個核心器件，能量接收系統(tǒng)即到達(dá)負(fù)載端前對電能的處理部分。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡要框圖如圖 1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)簡圖

在磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)中，影響系統(tǒng)的傳輸功率和效率的影響因素有許多。其中，收發(fā)線圈的耦合系數(shù)是一個重要的因素。可采用高磁導(dǎo)率所繞制的線圈來提高系統(tǒng)收發(fā)線圈的耦合系數(shù)，從而保證即使在原副線圈處于非對正位置的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的、大功率的能量傳輸。為了有效地傳輸電能，磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)需要將發(fā)射線圈和接收線圈的自諧振頻率設(shè)置為同一頻率，即為系統(tǒng)的耦合諧振頻率。通過收、發(fā)線圈的磁耦合諧振方式，將高頻線圈的能量通過磁場傳輸給接收線圈。

在電動汽車實(shí)際使用過程中，汽車電子系統(tǒng)的頻率較低，為了避免干擾，系統(tǒng)選取的頻率應(yīng)處于較低頻率范圍內(nèi)，約為100KHz。

3 發(fā)射端設(shè)計(jì)

對于發(fā)射端來說，首先要做到較小的發(fā)射損耗，以避免過多的電能消耗，因此驅(qū)動方式的選擇尤為重要。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高頻MOS或IGBT開關(guān)方式驅(qū)動較三極管驅(qū)動來說損耗較低，因此，發(fā)射端驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)采用單管IGBT驅(qū)動方式可在一定程度上降低發(fā)射端的能源損耗。能量傳輸過程中，為實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)狀態(tài)，可采用相位跟隨的辦法，即通過檢測線圈兩端實(shí)際電壓來確定導(dǎo)通時刻，在電路中就必須考慮引入電壓比較器電路來控制IGBT的開關(guān)。其設(shè)計(jì)原理如圖2所示：

圖2 由比較器確定的IGBT的最佳導(dǎo)通時刻

為提高導(dǎo)通速度，采用推挽驅(qū)動IGBT的方法，降低導(dǎo)通損耗從而保證能量傳輸效率。系統(tǒng)起振電路采用LM393 AD通用放大器芯片的B通道作為起振器使用通道。在LM393AD設(shè)置外圍電路搭建多諧振蕩器電路，自激起振。目標(biāo)振蕩頻率設(shè)置為100kHz，輸入點(diǎn)連接頻率跟隨電路輸出的偏置信號，輸出點(diǎn)連接推挽驅(qū)動電路，構(gòu)成完整回路。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 起振電路

頻率跟隨電路使用LM393AD的A通道作為電壓比較器使用通道，接收從線圈采樣的兩路信號，判斷實(shí)際頻率信號的相位變化。輸出偏置信號反饋給LM393AD的B通道，該通道可調(diào)節(jié)振蕩頻率。通過使用一片LM393AD芯片的兩個通道實(shí)現(xiàn)這兩個關(guān)鍵功能，不僅節(jié)約了版面面積，而且可降低成本，減少功耗。其頻率跟隨電路如圖4所示：

圖4 頻率跟隨電路

經(jīng)過前級的頻率調(diào)整后可輸出0V/18V振蕩信號，但LM393AD的輸出電流僅有20mA，不足以直接驅(qū)動高壓IGBT，所以需要增加一級推挽放大電路放大輸出電流。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電源為18V，驅(qū)動頻率為100kHz，采用大功率三極管SS8050與SS8550構(gòu)建甲乙類功率放大電路。

其中，SS8050為NPN型三極管，SS8550為PNP型三極管，其CE間擊穿電壓為25V、最大輸出電流均為1.5A、最大開關(guān)頻率為30MHz，其參數(shù)均符合需求。額外的，在VCC與推挽輸出點(diǎn)之間連接有續(xù)流二極管1N5401，可保證迅速關(guān)閉。推挽電路設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示：

圖5 推挽驅(qū)動諧振電路

系統(tǒng)的最后一級采用K25T1202高壓高頻IGBT管，控制LC諧振電路的開關(guān)。在100V電源與發(fā)射線圈之間串入500uH的電感作為扼流圈，防止電流畸變產(chǎn)生毛刺。

根據(jù)數(shù)據(jù)單，該IGBT參數(shù)最大電壓為1200V，最大電流為25A，當(dāng)開關(guān)頻率為100kHz時輸出電流可以達(dá)到20A（如圖6）。參數(shù)符合要求。

圖6 IGBT頻率-電流曲線圖

4 接收端設(shè)計(jì)

對于接收端的設(shè)計(jì)，考慮將接收線圈參數(shù)設(shè)置為與發(fā)射線圈參數(shù)一致，保證諧振頻率相同。與此同時，接收端的電路中加入超高速二極管整流和電容濾波的設(shè)計(jì)，可在將高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電的同時降低接收端的功率損耗，其原理如圖7所示。超高速二極管采用型號為RHRP8120，其擊穿電壓為1200V，最大工作電流為8A。值得注意的是，在高頻整流過程中，濾波電容的選取應(yīng)采用并聯(lián)阻抗較低的類型，否則將會導(dǎo)致系統(tǒng)能量損耗增加。系統(tǒng)采用0.3uF的耐壓為450V的電磁爐專用電容。

圖7 接收端電路

在接收端電路輸出直流電壓后，分出一電路電流連接負(fù)載燈泡，分出另一電路連接DC-DC模塊降至5V的直流電壓，供給接收端的單片機(jī)使用。另外需要設(shè)置電阻分壓電路將電壓線性降低到適合單片機(jī)AD接口處理的電壓，以獲取輸出的電壓信息。

在接收端電路輸出直流電壓后，分出一路電流連接負(fù)載燈泡，分出另一電路連接 DC-DC模塊降至5V的直流電壓，供給接收端的單片機(jī)使用。另外需要設(shè)置電阻分壓電路將電壓線性降低到適合單片機(jī)AD接口處理的電壓，以獲取輸出的電壓信息。系統(tǒng)的總電路仿真設(shè)計(jì)圖8所示：

圖8 系統(tǒng)總電路圖

5 實(shí)際測試電路

驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路的實(shí)際測試過程中，收發(fā)線圈采用半徑為18cm，電感量為105uH，諧振電容為3uF的平板線圈。系統(tǒng)的驅(qū)動電路供電電壓為60V DC，比較器供電電壓為15V DC，均使用直流穩(wěn)壓電源供電。測試時，先將接收線圈和發(fā)射線圈圓心正對，兩線圈平行，距離設(shè)置為10CM，接收線圈負(fù)載為RL=20Ω大功率電阻。測試時各部分實(shí)物如圖9所示。發(fā)射線圈與接收線圈調(diào)試完畢后再重新對正，中間用高度為10cm亞克力塑料支架阻隔。

圖9 實(shí)際測試照片

按下啟動開關(guān)將系統(tǒng)啟動后，將輸出功率調(diào)節(jié)到最大值，實(shí)際測量的負(fù)載端電阻電流和電壓如下：

圖10 示波器截圖

圖11 供電用直流電源實(shí)測數(shù)據(jù)圖

則負(fù)載電阻上的電壓有效值為Uo=45.8V，輸出功率為

發(fā)射端采用雙路串聯(lián)的直流電源，其電壓為Ui=60.3V，輸入電流為Ii=2.64A。將實(shí)際電壓、電流值代入公式計(jì)算可得輸入功率Pi為：

則此電路系統(tǒng)的實(shí)際效率η計(jì)算得：

至此，通過對電路的發(fā)射及接受端的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，可將磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的功率提升至65.9%，大大提升了磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的能量傳輸功率。

6 結(jié)論

本文分析綜述了目前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，并在對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)上設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一種實(shí)現(xiàn)方式，并設(shè)計(jì)制作了基于純電動汽車的磁耦合諧振式無線充電技術(shù)示教演示平臺。由此可以看到，隨著磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)研究的不斷深入，電動汽車的無線充電方式將會更加完善。