基于耦合變壓器補償技術的電動汽車無線充電系統優化設計

吳金華

（江西應用技術職業學院，江西贛州，341000）

1 電動汽車無線充電技術分析

在當前電動汽車的充電方面，無線充電將技術屬于目前比較理想的一種充電方式，并且在實際應用中表現出十分明顯的便捷性優勢，而無線充電技術的應用主要就是通過無線充電系統得以實現的。對于電動汽車無線充電系統而言，其組成主要包括兩個部分內容，分別為地面發射系統與車載接收系統。該系統在實際運行及工作過程中，通過車載終端實現車輛信息的準確識別，且與地面上的充電設備之間可以實現信息交互，以確定具體充電需求。在此基礎上，利用地面上的裝置，可以將220VAC/50Hz的市電轉變成為高頻電流，然后將電流注入地面發射裝置中，之后地面上的發射裝置可以這些高頻電流轉變成為高頻磁場，并且進行向外發射。在車載接收端的相關接收裝置，可以利用電磁感應耦合原理實現高頻磁場信號的接收，且可以轉換成為高頻電流，而后通過車載充電機轉換成為直流電，提供給動力電池實現充電。在該過程中，對于車載充電機還需要注意檢測并收集電池充電信息，還要將這些數據信息向車載充電系統發送顯示，以便更好觀看充電情況及電量[1]。

2 基于耦合變壓器補償技術的電動汽車無線充電系統組成及原理

就當前電動汽車無線充電系統中耦合變壓器補償技術的應用而言，其主要就是通過感應電能耦合傳輸實現電動汽車無線充電系統的有效設計，下面具體分析。

對于基于感應電能耦合傳輸的系統，其主要就是在利用電磁感應管理的基礎上實現電能的無線傳輸，其具體原理如圖1所示。

圖1 原理力

整個系統的組成包括兩個部分內容，即發射部分與接收部分，其中發射部分的作用主要就是對于所輸入的相關工頻電網電壓，使其轉變成為高頻交電流，利用耦合器中的電磁感應可以使這些高頻交電流向接收部分進行傳送，而接收部分在獲取這些高頻交流電之后，將其轉變成為直流電以提供給負載應用。在整體的系統構成中，其所包含的模塊主要有六個部分，分別為一次側整流濾波模塊、感應耦合變壓器模塊以及高頻逆變模塊，還有變壓器原邊及副邊線圈中的電容補償模塊，還有二次側整流及功率調節模塊等有關內容。

此外，就該系統實際運行情況而言，其在實際工作中的基本原理為：在系統實際云心過程中，首先由電網發送出工頻交流電，系統中的整流濾波模塊可以將這些工頻交流電轉變成為直流電，而對于這些直流電，高頻逆變器可以促使其逆變形成高頻交流電，對于所形成的這些工頻交流電，將其注入感應耦合變壓器的原邊，依據電磁感應原理，這些高頻交電流會在線圈中產生相應磁鏈，并且與副邊線圈相交，在副邊線圈中會有感應電動勢產生，這種感應電動勢也屬于高頻交流電。對于此時的高頻交流電，利用整流濾波模塊及功率調節模塊，可以使其轉成為與負載相適應的直流電能，同時，對于設備中直接輸出的相關直流電，也可以對其繼續逆變，以獲得使交流負載得到滿足的有關交流電能，實現更好的充電[2]。

3 基于耦合變壓器補償技術的電動汽車無線充電系統系統的優化設計

就當前電動汽車無線充電系統的實際應用而言，系統中的原線圈與副線圈分別在地面上與車內，彼此之間的距離相對比較大，原副邊線圈之間存在很大氣隙，漏磁比較大，相應的耦合系數比較低。所以，在對該系統實際進行設計過程中，需要對以下幾個方面充分考慮：耦合器中所使用的諧振技術；高頻工作；有關開關器件所具備的軟開關能力；適當充電距離；偏差適應性；優化控制方式，還有寬負載工作范圍。就當前系統應用來看，系統構成電路圖如圖2所示。

圖2 系統構成電路圖

3.1 功率變換模塊設計

對于功率變換模塊，其所發揮的作用主要就是使得由電網中所得到的有關工頻交流電轉變成為高頻交流電，這在整個系統中都是比較關鍵的環節，在實際設計中需要從以下幾點入手。

首先，拓撲分析。依據主電路中的不同拓撲結構，對于各種功率變化器可以將其分為半橋式、全橋式及反激式與推挽式。其中，對于反激式功率變換電路而言，通常情況下都是使用單管變換，在對功率要求比較小的相關裝置中比較適用，功率一般都是在幾十毫安左右；而對于半橋式及全橋式的功率變換電路，通常情況下都是在幾十瓦、幾百瓦的有關功率裝置中進行應用；而對于推挽式功率變換電路，通常都是在等級較高的相關裝置中進行應用，依據目前電動汽車的實際功率需求，基本上都是選擇全橋式功率變換電路。其次，器件的適當選擇。對于這一系統而言，變壓器自身傳輸效率比較低，因而對于功率變換電路，需要其具備低損耗性，因而對于相關功率器件的合理選擇也就十分必要。通常情況下，選擇功率開關管需要注意以下幾個條件：額定電壓必須要比浪涌電壓高，且需要留取一定電壓余量；額定電流必須要比開關管中所流過電流的峰值高，并且開關管工作應當在安全范圍之內；具有比較理想的散熱能力；具有比較小的損耗。在實際系統設計中，為能夠使上述條件得到滿足，在全橋逆變電路中選擇的功率管為MOSFET，并且對于開關管應用中開啟與斷開的控制，選擇軟開關方式。

3.2 感應耦合變壓器設計

耦合器在處于高頻工作狀態下，為能夠使所存在的趨膚效應得以減小，在選擇導線時通常都會利茲線，這種線的特點就是具有多股漆包線并繞。就目前電動汽車的不同充電情況來看，主要就是就是包括以下幾種。第一，駐車充電，這種狀況所指的就是將電動汽車在充電位置停放實行靜態充電。第二，公交站臺無線充電，這種充電方式所面向的主要就是電動公交車，也就是通過公交站處所設置的無線充電系統發射裝置，在公交車停靠于電臺期間為其補充電量。第三，行車充電，這種充電方式指在車輛行駛過程中實行充電，這需要將無線發射裝置鋪設于特定道路上。第四，智能電網充電，這一充電方式所指的就是對于相關充電裝置，將其納入智能電網運行控制中，依據區域內部電網負荷狀況，對于電動汽車的無線充電實行智能控制，使電網負荷狀況得到有效改善。本文主要以駐車充電方式為研究對象進行設計。在實際設計過程中，需要對感應耦合變壓器磁路進行分析：對于電動汽車無線充電系統而言，在其所應用的耦合變壓器中，原線圈與副線圈之間是相互分離的，其中一部分置于地面，另一部分置于汽車上，因而兩者之間有很大空隙存在，依據變壓器耦合系數計算公式：

計算可知，對于感應耦合變壓器，其耦合系數大約為0.2，可以實現理想的充電。

3.3 諧振補償電路設計

對于基于基于感應電能耦合傳輸的無線充電系統，其輸出功率能力相對比較差，并且工作頻率比較高，在實際運行及應用中需要對原邊線圈及副邊線圈實行無功補償，而就目前原邊線圈與副邊線圈的補償結構而言，其主要包括兩種，即串聯補償結構與并聯補償結構。而本文所設計系統中的補償結構主要有四種：原邊線圈與副邊線圈均屬于串聯補償；原邊線圈為串聯補償，副邊線圈為并聯補償；原邊線圈并聯補償，副邊線圈并聯補償；原邊線圈與副邊線圈均為并聯補償。在電壓型系統中，對于原邊補償電容選擇，不會受負載電阻大小的制約，然而在電流型系統中，在原邊補償電容選擇方面，負載電阻大小會對其產生直接影響。在電流型系統中，在負載電阻發生變化的情況下，原有補償電容無法使原邊等效阻抗的虛部成為0，也就導致系統不具備諧振產生條件，對于整體系統傳輸效率會產生直接影響。為能夠與負載變化更好適應，需要對原邊補償電容方式進行有效調整，使其與相關要求滿足，這種情況需要增加復雜電路。所以，在使設計過程中，更加傾向于電壓型系統的設計與應用[3-4]。