頻率跟蹤式電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的研究

陳保帆

摘要：隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷推廣和發(fā)展，方便、實(shí)用的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)需求更加迫切。本文基于諧振耦合無線傳輸機(jī)理，實(shí)現(xiàn)無線傳輸電能的設(shè)計(jì)。通過對(duì)LC諧振電路傳輸過程中出現(xiàn)諧振失諧導(dǎo)致傳輸效率下降現(xiàn)象的分析，提出一種頻率跟蹤式諧振無線傳輸電能模型，實(shí)現(xiàn)高效充電的目的。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)模型數(shù)據(jù)比較分析，頻率跟蹤式諧振無線充電系統(tǒng)的輸出電壓、負(fù)載能力、傳輸效率等主要參數(shù)，比無跟蹤式諧振電路高出很多。文中以諧振頻率為Im的無線傳輸電能系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的高效性。

關(guān)鍵詞：無線充電；諧振耦合；頻率跟蹤；諧振式無線傳輸電能

DOl：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.014

引言

電動(dòng)汽車廣泛使用的前提是解決電池供電的延續(xù)問題，要求能陜速、方便地實(shí)現(xiàn)電池的充電。目前、其充電方法主要有兩種：有線充電（接觸式充電）和無線充電（非接觸式充電），電路結(jié)構(gòu)不同，轉(zhuǎn)換效率也不同，有線充電能量轉(zhuǎn)換率近100%，無線充電能量轉(zhuǎn)換率達(dá)40%-92%。無線充電系統(tǒng)主要類型有：感應(yīng)式、諧振式和微波無線電能傳輸。感應(yīng)式屬于松散式耦合結(jié)構(gòu)，類似于分離變壓器，系統(tǒng)能耗達(dá)40%左右，轉(zhuǎn)換率太低，消費(fèi)者和電網(wǎng)公司均不能接受。諧振式無線電能傳輸利用近磁場(chǎng)共振耦合，能實(shí)現(xiàn)中距離有效傳輸，效率可達(dá)70%-92%；微波電能傳輸是一種遠(yuǎn)場(chǎng)輻射能量傳輸，易發(fā)散，效率低，易對(duì)人體產(chǎn)生危害。文中將以串聯(lián)諧振電路為基礎(chǔ)，建立LC諧振耦合無線電能傳輸模型，推導(dǎo)能量傳輸效率與線圈電感變化量的關(guān)系。并在LC諧振耦合特性基礎(chǔ)上提出基于鎖相環(huán)控制的頻率跟蹤式電能系統(tǒng)無線傳輸，利用實(shí)驗(yàn)比較有無頻率跟蹤情況下電能無線傳輸特性。

1 諧振耦合電路諧振失諧機(jī)理

電磁場(chǎng)隨距離增大會(huì)訊速衰減，諧振電路是利用兩個(gè)發(fā)生諧振的電路感應(yīng)磁場(chǎng)變化，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。根據(jù)諧振耦合電路工作原理得出，當(dāng)發(fā)射回路與接收回路諧振頻率一致時(shí)，大部分能量由發(fā)射回路傳遞到接收回路。若兩回路諧振頻率失諧時(shí)，接收回路得到的能量比發(fā)射回路傳遞出的能量會(huì)有很大衰減。

通過LC諧振模型分析，諧振耦合無線傳輸除發(fā)射回路和接收回路，還有高頻發(fā)射功率源和接收功率的負(fù)載。為簡化分析，忽略高頻逆變功率部分，直接以LC接收電路為研究對(duì)象，如圖1所示。

由圖1可知，電能無線諧振傳輸效率方程（1）表示為：

由式可知，諧振耦合電路的諧振參數(shù)確定后，諧振電容即確定，而ω、R₁、R₂隨諧振電感變化而變化，因此諧振電感量變化最重要。當(dāng)發(fā)射源V_i的頻率與接收電路諧振頻率一致時(shí)，發(fā)射和接收電路呈現(xiàn)阻抗最低，流過收發(fā)線圈電流最大，能量傳輸效率最大。若電路失諧，發(fā)射源大部分能量消耗在本身電路上而不被接收電路吸收，能量傳輸效率極低。因此，保持LC諧振電路與發(fā)射源頻率的一致性是實(shí)現(xiàn)諧振耦合電能無線傳輸?shù)年P(guān)鍵。諧振耦合的無線電能傳輸距離與互感關(guān)系式：

由式（3）可知，nl、₁，n₂為感應(yīng)線圈的匝數(shù)，r₁，r₂為線圈半徑，D為氣隙間隔，諧振耦合電能無線傳輸互感與距離三次方成反比，因此距離越遠(yuǎn)，耦合越小，傳輸效率越低。

2 頻率跟蹤式諧振耦合系統(tǒng)

2.1諧振耦合無線充電系統(tǒng)

諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其工作原理：系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電能，經(jīng)整流、濾波和高頻逆變后形成高頻交流電，經(jīng)功率放大和阻抗匹配送至發(fā)射線圈。當(dāng)發(fā)射線圈振蕩頻率與信號(hào)頻率相同時(shí)，線圈電流最大，磁場(chǎng)最強(qiáng)。接收端線圈若有相同的諧振頻率，則磁場(chǎng)耦合最強(qiáng)、從而實(shí)現(xiàn)高效電能傳輸。接收線圈形成感生電流經(jīng)整流濾波和電壓調(diào)節(jié)電路給負(fù)載充電。反饋控制電路保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

2.2頻率跟蹤式諧振耦合系統(tǒng)

基本諧振耦合無線充電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的高效充電，但車型不同、停車距離遠(yuǎn)近和偏移均會(huì)造成磁場(chǎng)偏移，導(dǎo)致接收電路與發(fā)射電路諧振失諧，嚴(yán)重影響電能無線傳輸效率。本文設(shè)計(jì)以鎖相環(huán)控制雙管諧振逆變器的諧振耦合系統(tǒng)，采用發(fā)射端頻率自動(dòng)跟蹤，進(jìn)行調(diào)諧，保證接收端在不同工況下，諧振頻率與發(fā)射端頻率相同，達(dá)到最佳電能傳輸。其電路主要包括：高頻諧振逆變器、LC諧振耦合和頻率跟蹤三部分。頻率跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：頻率跟蹤部分工蹤作原理如下：電流互感器檢測(cè)發(fā)射諧振回路的電流信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換為信號(hào)電壓，經(jīng)相位補(bǔ)償后，進(jìn)入鎖相環(huán)，鎖相環(huán)輸出一個(gè)與頻率相同的脈沖到PWM驅(qū)動(dòng)器，控制逆變器的頻率，實(shí)現(xiàn)頻率的跟蹤、保持發(fā)送與接收頻率的一致性。

2.3頻率跟蹤方法

（1）高頻電流信號(hào)檢拾。

為保證工作效率的穩(wěn)定性，需實(shí)時(shí)跟蹤、發(fā)射電路工作狀況，故設(shè)計(jì)高頻電流檢測(cè)電路。設(shè)定傳輸頻率為1MHz，制作互感器需選用高頻特性較好、不易飽和的磁芯制作圖4高頻電流檢測(cè)電流互感器。

發(fā)射電路采用獨(dú)立回路，所以電流檢測(cè)需用差分結(jié)構(gòu)。電流檢測(cè)電路如圖4所示，檢測(cè)電路工作過程：高頻電流經(jīng)過電流互感器和檢測(cè)電阻R后形成差動(dòng)電壓信號(hào)，經(jīng)差動(dòng)運(yùn)放放大后，接入后級(jí)電路。圖4中電阻值由差分放大電路原理，可知R₃=R₄，R₅=R₆。

2.4相位補(bǔ)償電路

在電路中，電流采樣、鎖相環(huán)電路跟蹤、差動(dòng)放大和MOSFET開關(guān)等環(huán)節(jié)出現(xiàn)有時(shí)間延遲現(xiàn)象，導(dǎo)致高頻諧振逆變器工作在容性狀態(tài)。因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相位補(bǔ)償，使逆變器工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)。相位補(bǔ)償電路波形如圖5所示，電流檢測(cè)放大電壓信號(hào)v_ρ作為相位補(bǔ)償參考電壓V_ref。當(dāng)檢測(cè)電流變時(shí)，V_ref與檢測(cè)信號(hào)成正比變化，從而保證補(bǔ)償相位不隨檢測(cè)電流變化而波動(dòng)，導(dǎo)致補(bǔ)償量不穩(wěn)定。電路中設(shè)置可調(diào)電阻R_ρ調(diào)節(jié)V_ref的電壓實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償量的靈活可調(diào)。

2.5鎖相環(huán)控制方法

鎖相環(huán)電路由74HC4046鑒相器、外接RC無源濾波器和壓控振蕩器（VCO）組成，如圖6所示。輸入信號(hào)ve進(jìn)入鑒相器進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相位存在差異時(shí)，輸出電壓信號(hào)控制74HC4046的9腳，改變VCO振蕩頻率，使VCO的輸出信號(hào)與ve接近，直到兩信號(hào)一致，鎖相環(huán)輸入與輸出信號(hào)同步，鎖相環(huán)電路由74HC4046鑒相器、外接RC無源濾波器和壓控振蕩器（VCO）組成如圖6所示。輸入信號(hào)v_c進(jìn)入鑒相器進(jìn)行比較，當(dāng)兩者相位存在差異時(shí)，輸出電壓信號(hào)控制74HC4046的9腳，改變VCO振蕩頻率，使VCO的輸出信號(hào)與v_c接近，直到兩信號(hào)一致，鎖相環(huán)輸入與輸出信號(hào)同步，從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。本電路中，利用R₁₁，R₁₂，C₅，D₁組成啟動(dòng)電路，當(dāng)鎖相環(huán)加電源后電容C₅充電使VCO電壓下降，鎖相環(huán)輸出信號(hào)從最大降到最低，只維持在LC固有諧振頻率，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)入鎖。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中諧振耦合系統(tǒng)頻率1MHz的諧振耦合系統(tǒng)。高頻諧振逆變器輸出功率45W左右。開關(guān)管采用IRF840； PWM驅(qū)動(dòng)采用UC8421高速集成驅(qū)動(dòng)芯片。差分放大和比較器分別采用高速運(yùn)放LM318和高速比較器LM311；光電耦合采用4N35，工作頻率達(dá)4MHz。

試驗(yàn)時(shí)，微調(diào)發(fā)射回路諧振頻率在鎖相環(huán)跟蹤范圍0.99-1.1 MHz內(nèi)變化，測(cè)得鎖相環(huán)輸出脈沖V_out。在參數(shù)相同情況下，有頻率跟蹤的諧振無線傳輸電能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：輸入電壓為DC30V/1.OA，傳輸距離為3cm。無頻率跟蹤時(shí)輸出電壓有效值為68.7V，負(fù)載電壓波形存在畸形；有頻率跟蹤時(shí)，輸出電壓為106.8V，正弦波波形良好。經(jīng)比較可知，兩結(jié)果數(shù)據(jù)，頻率跟蹤時(shí)電壓損失小，功率損失小，傳輸效率高。

通過改變傳輸距離D，分別設(shè)為3cm、5cm、lOcm、15cm和20cm時(shí)，傳輸曲線如圖7所示，有頻率跟蹤與無頻率跟蹤在不同距離下，均高于無頻率跟蹤的效率，且隨距離增加，效率下降大，與諧振耦合的互感與距離的三次方成反比的理論一致。

4 結(jié)束語

電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)具有方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，無線傳輸距離不同，導(dǎo)致諧振失諧，導(dǎo)致傳輸效率低下。通過對(duì)LC諧振耦合無線轉(zhuǎn)輸電能的理論研究分析，發(fā)射線圈電感量的微小變化，造成傳輸效率大大減小，接收端電感的變化對(duì)傳輸影響不大。本文設(shè)計(jì)以頻率跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射線圈頻率跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用頻率跟蹤時(shí)，電能傳輸效果比無頻率跟蹤高。從而解決諧振耦合無線傳輸電能中失諧引起傳輸效率低下問題，具有推廣實(shí)用性。

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