電動汽車無線充電系統分析

尤建祥， 王 輝，2， 陳金陽

（1.盤錦職業技術學院，遼寧 盤錦 124000；2.盤錦市教育裝備工程技術研究中心，遼寧 盤錦 124000）

電動汽車投入市場能夠較大程度上減少能源損耗，且減少二氧化碳的排放量，而想要實現這一目標，就必須要解決電動汽車充電不方便的問題。目前所采用的有線充電柱是通過充電槍來對電動汽車充電，如果遇到惡劣天氣，很可能會因為充電槍或電纜老化、漏電等產生觸電事故。相比來講，無線充電技術在便利性以及安全性上具有更大優勢，通過地面發射盤與車載接收盤兩部分，使得電動汽車無論是在運動還是靜止狀態下均可以充電。針對電動汽車無線充電技術進行研究，對推動整個行業的持續發展具有重大意義。

1 電動汽車無線充電理論分析

與傳統的插電式充電模式不同，電動汽車無線充電系統是利用電源自電網在電源側發射端位置獲取電能，并通過振蕩器來產生高頻振蕩電流。然后此震蕩電流會通過阻抗來對電路以及功率放大器進行匹配，并將電路放大，促使發射線圈周圍形成一個非輻射磁場，以此來實現系統電能向磁場的轉變。然后電動汽車側面的接收線圈便會對固有的頻率電磁波進行有效接收，以及接收電路所產生的最強振蕩電流，實現磁場與電能之間的轉換。通過這一過程，電流便可經過整流濾波進入到無線充電系統的限流調節電路內，來向電動汽車的車載電池充電，滿足汽車驅動需求。

就電動汽車無線充電系統的運行原理可以確認，磁共振系統中發射以及接收線圈全部屬于自振系統，根據其所具有的共振特性進行分析，可發現系統能耗是由系統發射端和接收端共同控制，使得傳輸能量的過程所耗能量最少［1］。鑒于能量傳輸的過程需要以共振系統為基礎，因此可確定其不會影響到共振系統以外的其他物體。另外，無線充電系統的磁場強度與地球磁場差異不大，其有效的傳輸距離有限。以及基于電流傳輸所用技術的分析，確定如果電磁波頻率增高，則磁共振系統面向空間輻射的能量也會隨之增大，電流傳輸效率同樣會相應增大。

2 電動汽車無線充電關鍵技術

2.1 電磁耦合器

電動汽車所應用的無線充電系統早期均為電磁感應式，電磁耦合器與分離變壓器相似，使用時兩者分開的間距僅有幾毫米到幾厘米不等，這就決定了電磁耦合器的傳輸距離非常小，抗偏移能力差，無法滿足電動汽車實際應用需求。為了提高電動汽車充電的便利性與安全性，目前已經將電磁耦合器設計成平板式，將發射盤直接埋于地下或者與地面保持水平，而電能接受盤則安裝在車輛底盤。此種全新的設計方式，其基本原理就是利用最少的磁芯獲得最大耦合系數與抗水平偏移能力。平板式電磁耦合器主要分為單邊型與雙邊型，雙邊如扁平式螺旋管線圈，其中間為扁平的鐵氧體，以鐵氧體作為中心在其外周纏繞線圈，具有較大的抗偏移能力［2］。但同時也是因為磁場分布為雙面形式，耦合器產生的一半磁場是無用的，電能接收盤的背部如果不進行額外的磁屏蔽設計直接貼在汽車底盤，另一半的無用磁場就會對汽車底盤產生影響，引起的渦流會造成底盤發熱，因此對于大功率無線充電系統并不合適采取此種雙面型耦合器。單面耦合器依然是現在電動汽車無線充電系統研究的主要對象，其產生的磁場多集中于發射盤和接收盤之間區域，由發射盤產生的磁場進入到接收盤內之后，會有大部分直接被鐵氧體聚集到內部，泄露出來的只有很少的一部分，確保了磁場的高利用率。

2.2 諧振補償

電動汽車的無線充電系統，充電過程即電能在發射線圈和接收線圈之間相互傳遞，并沒有作用于有功功率的傳輸漏電感。并且系統所設計的發射以及接收線圈之間的間距較大，兩者之間耦合系數非常小，只有0.05～0.3。線圈距離、對齊程度以及面積大小是影響耦合系數大小的關鍵因素，使得無線充電系統內存在很大的漏感且互感很小，因此在進行線圈設計時，關鍵就在于增加耦合度，且取消漏感的補償電路［3］。一般情況下，電容器被添加到電路中內，會形成磁耦合諧振電路。

現在正在進行研究的補償拓撲結構較多，包括串聯串聯（SS）、并聯串聯 （PS）、串聯并聯 （SP）以及并聯并聯（PP）等。為降低系統伏安容量，一次側電容可以使得輸入電壓與電流同相，稱之為零相角 （ZPA）方法。其中，想要實現ZPA，可以通過諧振電容求解公式獲得，其中Q2為二次側線圈品質因數，K為耦合率。不同補償方式的諧振電容求解公式如下。

其中，SS與PS拓撲結構中，Q=wL2／R；SP與PP拓撲結構中，Q=R／wL2，w表示開關頻率。通過上述公式可知，SS拓撲結構中，一次側電容與耦合系數以及負載無關；SP、PS、PP補償結構中，一次側電容會受耦合率的變化影響產生相應變化。相比來講，無線充電系統采用SS補償結構能夠一直處于諧振狀態下，耦合程度以及負載產生的影響更小，應用優勢更加明顯。但同時也需要注意，SS補償結構系統中一次側線圈電流會因為耦合系數以及負載的變化而受到影響。綜合來講，上述4種補償結構對于電動汽車的無線充電系統應用適應性均比較低，目前已經提出研究新的復合補償結構，且以發射端為LCC的補償結構適應性最強，其系統一次側線圈電流所受耦合系數以及負載的影響大大降低，可以更好地在發射盤上形成穩定磁場［4］。

3 電動汽車無線充電控制系統設計

3.1 系統設計方案

電動汽車無線充電一次側實現的為電的高頻化過程，二次側則是高頻化的直流化過程，在設計時應盡量增大系統功率因數，降低系統對電網產生的不良影響。這樣就需要對系統頻率進行跟蹤確認，即無線充電控制系統的設計應具備功率控制功能。同時，系統耦合器電壓需要通過相位比較產生的脈沖對逆變電路開關的開斷進行控制，因此要求系統需要具備測定耦合器輸出電壓的功能。另外，系統一次側和二次側之間需要進行信息溝通，為實現信息共享，設計時還應添加CAN協議。以及為避免系統運行過程中程序跑飛以及死循環，應對系統電路添加復位電路和保護電路。

3.2 系統硬件設計

3.2.1 控制芯片

整個系統的運行狀態主要是由芯片來控制，面對較多功能設計要求的系統，為確保無線充電系統運行穩定可靠，就需要有高性能的芯片作為支持，以便可以對電池狀態進行實時監控，預測故障并預警，在故障發生后能夠對整個電路進行有效保護［5］。要滿足CAN通信要求，以功能強大且功能全面的芯片最佳。以STM32芯片為例，為32位處理單元芯片，功能非常強大，可滿足系統設計要求。

3.2.2 復位電路

單片機編程時很多情況下會出現程序跑飛或者進入死循環的問題，為了保證在問題出現后單片機可以重新恢復運行，可以對系統設計一個復位電路。STM32復位電路如圖1所示。

圖1 STM32復位電路

3.2.3 保護電路

保護電路作為無線充電控制系統硬件設計的重要內容，需要根據實際需求來做好每一個細節的控制。在程序維持正常運行狀態過程中，保護電路的功能不會發揮，而是在運行過程中出現差錯異常可能導致系統崩潰的情況下，保護電路才會動作，確保系統能夠恢復到正常運行狀態。即電路均有一個正常運行的范圍，如果超出此范圍系統運行便會出現問題，保護電路將會發出閉鎖信號來進行閉鎖，以此來確保電路的安全性［6］。而當系統調節回到正常范圍以內后，閉鎖信號便會消失，系統重新恢復到正常運行狀態。利用比較器來對輸入信號和采樣信號進行比較，同時設置一個安全閾值，比較過后的信息會直接反饋給單片機，然后根據比較信息來做出相應動作。

3.2.4 供電電源

所選供電電源必須要具有較高的穩定性，以此來維持單片機的正常運行，無論是過大或過小均會對單片機的運行產生不利影響，甚至會造成損壞。STM32芯片的供電區間在2～3.6V，可選擇最常見的干電池供電形式。將干電池接入到系統電路內，利用降壓芯片來促使電壓降低，并通過穩壓芯片作用維持在允許電壓范圍內，滿足單片機的運行要求。

3.2.5 CAN通信接口電路設計

STM32單片機集成有CAN控制器模塊，在對其接口電路進行設計時，可以先連接收發芯片和CAN總線，然后再連接單片機與收發芯片。例如VP230為一個CAN總線的收發芯片，其工作電壓為3.3V，圖2為CAN總線連接電路原理圖。

圖2 CAN總線連接圖

3.2.6 MOSFET驅動

MOSFET驅動以及驅動信號產生電路是整個無線充電控制系統電路設計的核心部分，驅動信號產生電路即產生可以促使MOSFET管開斷的方波信號，并且可以控制方波信號，達到控制開斷的目的。

4 結束語

除了要對無線充電控制系統的硬件部分進行設計外，還需要重視對軟件系統的設計，包括主程序與充電程序，保證可以維持整個系統的正常運行。加強對電動汽車無線充電系統的研究，對于推動整個行業的發展具有重要意義，即以高新技術作為支持，對原有充電系統中存在的不足進行改善和優化，提高電動汽車充電的便利性與安全性，滿足日常生活實際需求。