基于ICPT的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)研究

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院　高巧玲

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基于ICPT的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)研究

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院高巧玲

【摘要】隨著全球能源短缺及日益加重的環(huán)保問題，以電能來代替其它能源的運(yùn)輸工具——電動(dòng)汽車的發(fā)展越來越快，而電動(dòng)汽車的發(fā)展最大的瓶頸就是充電技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的有線充電需要人工插拔，充電電壓高，電流大存在很大的安全隱患，而無線電能傳輸因能解決電氣設(shè)備的靈活性、安全及環(huán)保問題而備受關(guān)注。文章主要介紹基于感應(yīng)耦合電能傳輸（ICPT）的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)，并針對電動(dòng)汽車充電的要求，設(shè)計(jì)了基于ICPT的電動(dòng)汽車無線充電裝置。

【關(guān)鍵詞】ICPT；無線電能傳輸；電動(dòng)汽車無線充電

0　引言

感應(yīng)耦合電能傳輸（ICPT）是無線電能傳輸（WPT）的一種,目前WPT主要有輻射式電能傳輸、諧振式傳輸和感應(yīng)式傳輸3種，輻射式傳輸距離遠(yuǎn)，但效率低，傳輸功率小，功率等級為毫瓦級；諧振式傳輸傳輸距離遠(yuǎn)，但發(fā)展較晚，技術(shù)不成熟；感應(yīng)式傳輸傳輸功率大，效率較高，是最適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車的無線電能傳輸。ICPT通過松耦合變壓器將電能非接觸式地傳輸給負(fù)載，松耦合變壓器是ICPT系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕考?，它可通過傳統(tǒng)變壓器進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)分離，因松耦合變壓器初次級之間存在很大的氣隙，耦合系數(shù)低，漏感大，為了提高它的傳輸能力，首先通過高頻逆變將工頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成高頻信號(hào)，其次在變壓器的初次級增加補(bǔ)償電容構(gòu)成諧振變換器。目前的電動(dòng)汽車充電技術(shù)，主要是通過電纜將蓄電池和充電站連接，因電動(dòng)汽車充電電壓高，電流大，接觸點(diǎn)易磨損老化，容易發(fā)生觸電事故，且在潮濕和惡劣環(huán)境下也不能使用，所以本文將ICPT用于電動(dòng)汽車充電中，因發(fā)射部分和接收部分無直接電氣連接，操作安全性較高，磨損老化問題較小，使用更安全、可靠、靈活。

1　ICPT系統(tǒng)組成及工作原理

ICPT系統(tǒng)是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ICPT系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成，發(fā)射部分主要完成將輸入的工頻電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成高頻交流電，高頻交流電通過耦合器的電磁感應(yīng)傳送到接收部分，接收部分將接收到的髙頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電后供負(fù)載使用。整個(gè)系統(tǒng)由一次側(cè)整流濾波模塊，高頻逆變模塊，感應(yīng)耦合變壓器模塊，變壓器原邊及副邊線圈的電容補(bǔ)償模塊，二次側(cè)整流和功率調(diào)節(jié)模塊等組成。

系統(tǒng)的基本工作原理如下：

電網(wǎng)發(fā)出的工頻交流電能經(jīng)過整流濾波模塊轉(zhuǎn)化為直流電，高頻逆變器將該直流電逆變?yōu)楦哳l交流電，將高頻交流電注入到感應(yīng)耦合變壓器的原邊，由法拉第電磁感應(yīng)原理可知，高頻的交流電在線圈中產(chǎn)生磁鏈與副邊線圈交鏈，在副邊線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，該感應(yīng)電動(dòng)勢仍為高頻交流電。通過整流濾波模塊及功率調(diào)節(jié)模塊將其轉(zhuǎn)化為適應(yīng)于負(fù)載的直流電能。也可將該設(shè)備輸出的直流電繼續(xù)逆變從而得到滿足交流負(fù)載的交流電能。

2　電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)

如圖2所示，電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)也由兩部分組成：地面發(fā)射系統(tǒng)和車載接收系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，由車載終端負(fù)責(zé)車輛信息的識(shí)別，并與地面端充電設(shè)備進(jìn)行信息交互，確認(rèn)具體充電需求；由地面端電源裝置將220VAC/50Hz 市電轉(zhuǎn)換為高頻電流注入地面發(fā)射裝置，然后由地面發(fā)射裝置將高頻電流轉(zhuǎn)化為高頻磁場并發(fā)射出去；車載端接收裝置通過電磁感應(yīng)耦合原理接收高頻磁場信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為高頻電流，然后經(jīng)車載充電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電供給動(dòng)力電池充電；這個(gè)過程中，車載充電機(jī)還需要負(fù)責(zé)電池充電信息的檢測和收集，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到車載充電系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

圖2　電動(dòng)汽車無線充電示意圖

3　基于ICPT的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中原副邊線圈分別位于地面和車內(nèi)，距離較大，原副邊線圈氣隙大，漏磁大，耦合系數(shù)低。因此設(shè)計(jì)時(shí)，該系統(tǒng)必須考慮以下幾點(diǎn)：高頻工作、耦合器采用諧振技術(shù)、開關(guān)器件的軟開關(guān)能力、合理的充電距離、偏差適應(yīng)性、優(yōu)化控制方式和寬負(fù)載的工作范圍。根據(jù)系統(tǒng)組成，可知ICPT系統(tǒng)電路圖如圖3所示，由圖3可知，系統(tǒng)由功率變換模塊——初級整流濾波電路、高頻逆變電路、次級整流濾波電路，原副邊補(bǔ)償模塊、耦合器變壓器模塊構(gòu)成。

圖3　ICPT系統(tǒng)電路圖

3.1功率變換模塊

功率變換模塊的主要作用是將從電網(wǎng)獲得的50HZ工頻交流電轉(zhuǎn)化為10-500KHZ的高頻交流電，它是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1.1拓?fù)浞治?/p>

按主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同將各種功率變化器分為反激式、半橋式、全橋式和推挽式。反激式功率變換電路一般采用單管變換，應(yīng)用在功率僅需幾十毫安的較小功率的裝置中，半橋或全橋式功率變換電路一般應(yīng)用于幾十瓦到幾百瓦的功率裝置中，推挽式功率變換電路一般用于功率等級較高裝置中，根據(jù)電動(dòng)汽車的功率需求，選擇全橋式功率變換電路，如圖4所示：

圖4　全橋式電路

3.1.2器件選擇

由于ICPT系統(tǒng)變壓器自身傳輸效率不高的特點(diǎn)，更要求功率變換電路的低損耗性，功率器件的選擇顯得尤為重要。一般選擇功率開關(guān)管的條件如下：（1）額定電壓必須高于浪涌電壓，并且留有一定的電壓余量。（2）額定電流必須高于流過開關(guān)管的峰值電流及開關(guān)管工作于安全范圍內(nèi)。（3）散熱能力好。（4）損耗小。為滿足這四個(gè)條件全橋逆變電路選用MOSFET作為功率管。且采用軟開關(guān)方式控制開關(guān)管的開斷。

3.2感應(yīng)耦合變壓器

由于耦合器工作在高頻情況下，為了減小趨膚效應(yīng)，選擇導(dǎo)線為多股漆包線并饒的利茲線。根據(jù)電動(dòng)汽車在不同的情況下充電，可以分為：（1）駐車充電，指電動(dòng)汽車停放在充電位置上進(jìn)行靜態(tài)充電。（2）公交站臺(tái)無線充電，指電動(dòng)公交車?yán)谜九_(tái)處地面鋪設(shè)的無線充電系統(tǒng)發(fā)送裝置，在站臺(tái)?？繒r(shí)間為公交車補(bǔ)充電量。（3）行車充電，指電動(dòng)汽車在行駛時(shí)進(jìn)行充電。需在特定的道路上鋪設(shè)無線發(fā)射裝置。（4）智能電網(wǎng)充電，指電動(dòng)汽車充電裝置納入智能電網(wǎng)運(yùn)行控制中，可根據(jù)區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)負(fù)荷情況，對電動(dòng)汽車無線充電進(jìn)行智能控制，改善電網(wǎng)負(fù)荷狀況。本文主要設(shè)計(jì)的主要是針對駐車充電。

感應(yīng)耦合變壓器磁路分析：

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中，耦合變壓器的原副線圈是分離的，一部分在地面，一部分在汽車上，存在很大的空隙，而變壓器的耦合系數(shù)為：

由公式可知，感應(yīng)耦合變壓器的耦合系數(shù)只有0.2左右。

3.3諧振補(bǔ)償電路

ICPT系統(tǒng)的輸出功率能力較差，且工作頻率很高，需要對原、副邊線圈進(jìn)行無功補(bǔ)償，原、副邊補(bǔ)償結(jié)構(gòu)主要有兩種：串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和并聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。ICPT系統(tǒng)有四種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，即原邊與副邊均串聯(lián)補(bǔ)償(SS 拓?fù)?、原邊串聯(lián)副邊并聯(lián)補(bǔ)償(SP拓?fù)?、原邊側(cè)并聯(lián)副邊串聯(lián)補(bǔ)償(PS拓?fù)?、原邊與副邊均并聯(lián)補(bǔ)償(PP拓?fù)?，又電壓型 ICPT系統(tǒng)即SS,SP型系統(tǒng)中，原邊補(bǔ)償電容的選取沒有受到負(fù)載電阻 R 大小的制約，而恰恰相反，在電流型ICPT即 PS、PP型系統(tǒng)中，負(fù)載電阻R的大小對原邊補(bǔ)償電容的選取產(chǎn)生了直接的影響。也就是說，在電流型 ICPT系統(tǒng)中，負(fù)載電阻一旦發(fā)生變化已有的原邊補(bǔ)償電容將不能使原邊的等效阻抗虛部為0，使得系統(tǒng)不具備產(chǎn)生諧振的條件，影響了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率。為了適應(yīng)負(fù)載的變化，則要通過動(dòng)態(tài)調(diào)整原邊補(bǔ)償電容的方式使之滿足要求，這樣便要以增加復(fù)雜電路為代價(jià)，總體上比一定能提高系統(tǒng)的傳輸效率。因此電壓型的 ICPT系統(tǒng)在負(fù)載適應(yīng)性與頻率穩(wěn)定性方面優(yōu)于電流型ICPT系統(tǒng)。故選擇電壓型ICPT系統(tǒng)。

4　系統(tǒng)驗(yàn)證

通過系統(tǒng)平臺(tái)的搭建，驗(yàn)證了ICPT在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車進(jìn)行無線充電。

參考文獻(xiàn)

[1]黃帆.全橋感應(yīng)耦合能量傳輸裝置研究[D].北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012,7.

[2]孫躍,王智慧,戴欣.非接觸電能傳輸系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,20(11):56-59.

[3]藍(lán)建宇,唐厚君,耿欣.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)自持振蕩控制[J].電機(jī)與控制學(xué),2015,19(5):7-12.

[4]廖承林,李均鋒,馬中原.無線電能傳輸技術(shù)在電動(dòng)汽車無線充電中的應(yīng)用[J].物理前沿,2015,27(2):51-53.

[5]劉紅偉,張波,黃潤鴻等.感應(yīng)耦合與諧振耦合無線電能傳輸?shù)谋容^研究[J].研究與開發(fā),2015,1:7-13.