電動汽車無線充電系統的設計與優化

摘 要：隨著我國新能源技術的發展和不可再生資源的短缺，可持續發展計劃的進一步實施，對于能源的再生與合理使用，使得電動汽車具有良好的發展前景。而無線充電電動汽車與傳統的電動汽車相比，可以使得汽車充電更加方便快捷；安全性也得到了提升，運用電磁感應技術，實現高效率充電。因此，無線充電電動汽車開始受到更多人關注。本文首先介紹了無線充電的研究背景及現狀，對無線充電系統電磁耦合裝置以及采用補償網絡進行優化，采用紅外線自動追蹤的功能提高無線充電的便捷性。

關鍵詞：補償網絡 無線電主電路拓撲 紅外線追蹤

1 緒論

隨著我國物流行業的發展以及人民生活水平的提高，車流量增多，車輛行業發展迅速，消耗大量的化石燃料能源，不可再生能源的減少與消耗，對環境的污染增大。為了緩解能源的消耗及環境的污染，新能源以及電動汽車、油電混動汽車得到人們的普遍關注。

電動汽車所需能源充電方式有兩種：有線充電和無線充電。有線充電通過導線與插座相連進行充電；無線充電利用電磁場傳輸電能。無線充電相比于有線充電，具有更方便，更安全的優點，但充電效率有待提升。

楊志達對電動汽車無線充電系統進行了優化和提升，對磁耦合線圈以及磁屏蔽結構優化，研究線圈的抗偏移性能，以及對無線充電的傳輸性能進行了仿真實驗，為無線充電提升方面提供了一種方案[1]。

馬林·索爾賈西克（Marin Soljacic）是引導無線電能傳輸前進的關鍵人物。提出一種新型的耦合諧振式無線電能傳輸技術，耦合諧振式所用的裝置較為簡單，傳輸過程中電磁輻射較小，為無線電能傳輸的前景提供了理論基礎[2]。

日本琦玉大學在2010年提出了一種雙面螺旋繞線線圈，不發生偏移的情況下，效率能夠達到95%[3]。并于2012年對其進行了優化，提出了H型磁芯線圈，該線圈增大了傳輸距離和功率等級。琦玉大學設計了一種新型結構線圈，并對其進行了優化，但是沒有考慮線圈對周圍環境產生的電磁污染。[3]

為了解決電動汽車無線充電技術在實際應用過程中存在的問題，國內有很多高校和研究所對無線充電系統進行了設計與優化。

重慶大學的戴欣等人提出一種正四面體耦合機構[4]，該機構解決了無線電能傳輸系統的三維空間內多自由度拾取問題，當耦合機構以任意角度旋轉時，系統多自由度運行的效率維持在60%，負載功率維持在30W。

本研究首先分析了電動汽車無線充電系統優化設計的研究背景及意義，并分析了無線充電系統設計與優化的研究現狀，其次主要分析了無線充電技術原理和優化設計的理論。本文介紹了電能傳輸方式、分析了常見的耦合模型，采用補償網絡的作用及意義。最后主要對磁耦合線圈進行了優化設計。以提高無線充電系統傳輸效率為目標，介紹了控制策略和紅外線跟蹤汽車充電，以消除充電距離限制，提供實時監測和調整，確保充電過程的穩定性和安全性。

2 無線充電原理

2.1 無線充電基本原理

無線充電技術利用電磁感應原理，通過充電器（發射端）與被充電設備（接收端）之間的磁場耦合，實現電能的無線傳輸。具體來說，當充電器接入電源后，其內部的線圈會產生一個快速變化的磁場，這個磁場會在空間中產生交變電磁波，進而被被充電設備內部的線圈接收并轉化為電能。

電源將電能轉換為高頻的交流電信號，這個信號包含了能量信息。通過空間中的磁場或電磁波傳輸能量。這種磁場或電磁波可以是交變磁場、電磁波或微波等。當接收器進入磁場或電磁波的范圍時，它會感受到一個交變的電磁場，從而產生一個逆壓降電壓。接收器內的感應線圈會捕捉到這個逆壓降電壓，并將其轉換為直流電。這個過程被稱為“電磁感應”或“磁感應”。收集到的直流電被送至充電設備內部，然后通過整流、濾波等環節，最后輸出為穩定的直流電，供設備使用。

2.2 電動汽車無線充電系統基本框架

電動汽車無線充電系統主要分為充電控制模塊、發射模塊、接收模塊、電源管理模塊以及輔助系統（如電磁屏蔽和防護系統、異物檢測系統、對準系統等）。這些模塊共同協作，實現電能的無線傳輸和有效管理。不同模塊的功能及作用也是不同的。（圖1）

充電控制模塊的功能是負責整個充電過程的控制和管理，包括充電啟動、停止、參數調整等，通過采樣電路用于監測充電過程中的電壓、電流等參數，控制邏輯電路則根據這些參數調整充電策略，確保充電過程的安全和穩定。

發射模塊主要由高頻交流電源、AC/DC和DC/AC轉換器、發射線圈等組成，將電網的交流電轉換為高頻交流電，并通過發射線圈產生交變磁場。

接收線圈捕獲發射模塊產生的交變磁場，并將其轉換為高頻交流電，再通過整流器和濾波電路轉換為穩定的直流電，供給電動汽車的電池 使用。

電源管理模塊對充電過程中的電能進行高效管理和分配，確保電池得到合理的充電電流和電壓。包括電池管理系統（BMS），用于監測電池狀態、預估剩余電量、調整充電策略等。

2.3 補償網絡

2.3.1 補償網絡的作用

通過優化補償網絡中的電感和電容取值，可以減少系統產生的無功分量，使得更多的電能能夠傳輸到接收端，從而提高傳輸效率。合理的補償網絡設計可以增強磁場的耦合強度，使得在更遠的距離上也能實現有效的能量傳輸。

穩定輸出電壓/電流：在某些補償網絡設計中，如LCC-LCC[5]型補償網絡，可以實現恒壓或恒流輸出，滿足不同充電階段的需求。

2.3.2 補償網絡的類型

根據電容C、電感L的數量以及連接方式的不同，補償網絡可以分為多種類型，主要包括串聯補償在電路中串聯電感或電容來補償線圈的感抗或容抗；并聯補償在電路中并聯電感或電容來補償線圈的感抗或容抗；LLC、LCC、LCL等為高階復合補償網絡，這些補償網絡結合了串聯和并聯補償的特點，具有更高的靈活性和適應性。

3 無線充電系統的設計和效率優化

3.1 電磁耦合裝置的基本原理及常見電磁耦合裝置介紹

3.1.1 電磁耦合裝置的基本原理

電磁耦合裝置主要基于電磁感應原理工作。當電流通過一個導體時，會在其周圍產生磁場。這個磁場會穿透到附近的另一個導體中，從而產生感應電動勢。根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢的大小與主線圈中的電流大小和變化率有關，通過控制主線圈中的電流，可以調節從線圈中感應電動勢的大小和變化率，從而實現能量傳遞和信號傳輸。

3.1.2 常見電磁耦合裝置

電磁耦合器是一種利用電磁感應原理實現能量傳遞和信號傳輸的裝置，由至少兩個線圈組成，包括主線圈和從線圈，主線圈中通入電流產生磁場，磁場穿透到從線圈中產生感應電動勢，從而實現能量傳遞和信號傳輸，可以應用到無線能量傳輸、電力傳輸、通信系統等領域。

變壓器是一種利用電磁感應原理進行電壓轉換的元件，通過改變主線圈和從線圈的匝數比，實現電壓的升壓或降壓。廣泛應用于電力系統、電子設備和通信設備中，如電力輸送、電壓變換等。

電感器是一種可以儲存磁能的元件，當電流通過電感器時，會在其周圍產生磁場，從而儲存磁，。當電流變化時，磁場也會變化，進而在電感器中產生自感電動勢，阻礙電流的變化，主要用于濾波、諧振和儲能等電路中，如濾波電路中抑制高頻噪聲。

互感器是一種用于測量交流電流或電壓的元件，通過電磁感應原理，將高電壓或大電流轉換為低電壓或小電流進行測量，主要用于電力系統的保護和控制中，如測量電流和電壓。

共模扼流圈是一種用于抑制共模噪聲的元件，利用電感器對共模信號的阻抗遠大于對差模信號的阻抗的特性，抑制共模噪聲的傳播。常用于電源線、信號線和數據線上，防止電磁干擾。

磁力耦合器主要由銅轉子、永磁轉子和控制器三個部分組成，通過磁力傳遞扭矩和轉速，銅轉子與電機軸連接，永磁轉子與工作機的軸連接，兩者之間有空氣間隙（氣隙），通過調節氣隙實現工作機軸扭矩、轉速的變化。磁力耦合器的節能效果顯著、維護工作量小、允許較大的安裝對中誤差、具有過載保護功能等，廣泛應用于風機、水泵、物料輸送機等各種機械設備上，以及水工業、石油天然氣、發電熱電、制冷供暖等多個行業。

3.2 電磁耦合裝置的優化

無線充電系統核心部位是磁耦合線圈，該部件是實現無線電能傳輸的關鍵，磁耦合線圈的性能好壞決定了無線充電系統傳輸性能的優劣。

常用的線圈有平面螺旋型、立體螺旋型和矩形線圈等，由于汽車上接收線圈的空間位置限制，所以在電動汽車無線充電領域最常用的還是平面螺旋型，如圖所示為立體螺旋和平面螺旋型線圈。

對于線圈參數的優化，通過增加線圈匝數可以顯著提高原邊和副邊之間的互感，從而提高傳輸效率。然而，這也會增加線圈的電阻和重量，需要綜合考慮效率和成本、重量等因素；優化線圈的形狀和布局可以減少漏磁，提高磁場耦合的均勻性。例如，可以采用圓形或矩形線圈，并根據實際應用場景調整線圈的間距和相對位置。

3.3 無線充電系統主電路拓撲及控制策略

3.3.1 無線充電系統主電路拓撲

無線充電系統主電路拓撲主要包括以下幾個關鍵部分。

AC/DC整流模塊將電網的工頻交流電（AC）進行整流，轉化為直流電（DC），為后續的高頻逆變過程提供穩定的直流電源，常采用PWM整流電路，如Boost/全橋組合式軟開關諧振PFC變換電路，以實現高功率因數校正和降低諧波污染。

高頻逆變模塊將整流后的直流電逆變為高頻交流電，以驅動松耦合變壓器進行無線電能傳輸，使用高頻逆變技術能夠減少傳輸過程中的能量損耗，提高傳輸效率。

松耦合變壓器模塊作為無線充電系統的能量交換通道，實現電能的無線傳輸.松耦合變壓器采用非接觸式設計，通過磁場耦合實現電能的傳遞，其設計需考慮互感、漏感、磁芯材料等因素，以優化傳輸效率;DC/DC變換模塊對從松耦合變壓器接收到的電能進行整流和DC/DC變換，以滿足負載（如電動汽車電池）的充電需求，常采用Buck變換電路等DC/DC變換器，以實現輸出電壓 的穩定和調控。

3.3.2 無線充電系統控制策略

無線充電系統的控制策略主要關注以下幾個方面：

發射端和接收端分別采用閉環控制策略，通過檢測電流、電壓等參數，實時調整系統的工作狀態，以確保傳輸效率和穩定性，實現方式為在AC/DC模塊中采用Boost APFC電路實現輸入電流的閉環控制；在DC/DC模塊中采用Buck變換電路實現輸出電壓的閉環控制；了解決傳統閉環控制方案中需要無線傳輸反饋信號的缺點，降低系統復雜度和成本，一些無線充電系統采用開環控制策略；通過預設的控制參數和算法，直接控制逆變器的輸出電壓和電流，實現對充電過程的控制。

隨著物聯網、人工智能等技術的發展，無線充電系統正逐步向智能化方向發展。

通過集成傳感器、控制器、通信模塊等組件，實現無線充電系統的遠程監控、故障診斷、自適應調節等功能，提高系統的智能化水平和用戶體驗。采用諧振電路、軟開關技術等手段降低逆變器損耗；優化松耦合變壓器的設計以提高互感系數和減少漏感；采用先進的控制算法實現精確的能量傳輸等。

3.4 紅外線光電技術自動跟蹤

紅外線光電技術是該技術利用紅外線傳感器探測目標物體的位置、距離等信息。紅外線傳感器通過發射紅外線并接收其反射或散射回來的信號，從而確定目標物體的位置和狀態。

紅外線光電技術在電動汽車無線充電中主要應用自動追蹤定位，紅外線光電技術可以用于實現充電設備的自動追蹤和定位。通過安裝在充電設備和電動汽車上的紅外線傳感器，可以實時監測電動汽車的位置和姿態，確保充電設備能夠準確對準電動汽車的接收端，實現精準充電。

自動追蹤定位功能可以減少因位置偏差導致的充電效率下降問題。當充電設備與電動汽車接收端對準不準確時，會導致電磁耦合效率降低，從而影響充電速度。通過紅外線光電技術的自動追蹤功能，可以確保充電設備與電動汽車接收端始終保持最佳對準狀態，從而提高充電效率。

自動追蹤功能還可以提升用戶的充電體驗。用戶無需手動調整電動汽車的位置或姿態即可實現快速充電，大大節省了用戶的時間和精力，增加了用戶體驗感。

4 結論

本文對電動汽車無線充電系統進行了優化設計，對電磁耦合裝置進行優化，運用紅外線自動追蹤技術，增加無線充電的距離，為電動汽車增加續航，更加快捷安全，為電動汽車無線充電系統的優化設計提供了一種方案。

隨著新材料和新技術的發展，無線充電設備的轉換效率已經顯著提高，同時安全措施也得到了加強，如過熱保護、異物檢測等功能的引入，確保了用戶的使用安全。這些技術進步不僅提高了無線充電的實用性和可靠性，也為無線充電技術在更多領域的應用打開了大門，包括電動汽車領域。

根據相關報告，無線充電技術已經在智能手機、平板電腦等消費電子產品中快速普及，未來隨著電動汽車市場的不斷擴大，無線充電技術有望成為電動汽車充電的重要方式之一。

參考文獻：

[1]楊志達.電動汽車無線充電系統的優化設計[D].沈陽：沈陽理工大學，2023.

[2] Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].science，2007，317（5834）：83-86.

[3]Nagatsuka Y，Ehara N，Kaneko Y，et al.Compact contactless power transfer system for electric vehicles[C]//The 2010 International Power Electronics ConferenceECCE ASIA-IEEE，2010.

[4]戴欣，李璐，余細雨，等.基于正四面體的無線電能傳輸系統多自由度電能拾取機構[J].中國電機工程學報，2016，36（23）：6460-6467+6612.

[5] Fu N， Deng J，Wang Z，et al.A hybrid mode control strategy for LCC–LCC-compensated WPTsystem with wide ZVS operation[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2021，37（2）：2449-2460.