電動汽車無線充電技術

林立文，翟麗，宋超

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

電動汽車無線充電技術

林立文，翟麗，宋超

（北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

隨著低碳經濟理念傳播，電動汽車的發(fā)展促進電動汽車無線充電研究步伐，將成為未來電動汽車能量補給最佳的選擇。介紹電動汽車無線充電的電磁感應電力傳輸、磁諧振電力傳輸、微波電力傳輸的原理；深入探討磁諧振無線充電的整體結構以及各個模塊的原理和方案利弊，對整個系統(tǒng)各個參數之間的關系和控制方法做了闡述；指出磁諧振無線充電尚存在的問題及發(fā)展趨勢。

電動汽車；無線充電；磁諧振

近年來，新能源產業(yè)的發(fā)展，尤其純電動汽車的快速增長，對電動汽車的充電方式多樣化和便捷性提出更高的要求。電動汽車能源供給方式目前有電池更換、交流慢充和直流快充3種方式。電池更換形式存在實現(xiàn)電池箱標準化及電池快速更換實用化2大關鍵難題；交流慢充存在充電時間過長的缺點；直流快充則會大大縮短電池的使用壽命，大電流變化還會對電網造成沖擊。利用無線充電可以做到充電設備隱形，設備磨損率較低，應用范圍廣，公共充電面積相對較小，可實現(xiàn)非接觸充電，甚至實現(xiàn)電動汽車在行駛時非接觸充電；無線充電形式有著便捷性的同時還適應快速發(fā)展的電動汽車行業(yè)；國家政策對電動汽車的扶持和規(guī)劃，將對無線充電發(fā)展有著極大的推動作用。

1 無線充電技術

無線充電技術是一種非接觸的能量轉化和傳輸過程，主要包括電磁感應電力傳輸（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）、磁諧振電力傳輸（Electromag-netic Resonance Power Transfer，ERPT）、微波電力傳輸3大類。

1.1 電磁感應電力傳輸

如圖1所示，電動汽車上的ICPT由電源發(fā)射端、無接觸變壓器和電動汽車接收端組成。電源發(fā)射端和原邊繞組安裝在地面下，副邊繞組和接收端安裝在電動汽車上。從電網獲取電能，在信號控制電路控制下，經過整流濾波、高頻逆變電路、原邊繞組，通過電磁感應將電能感應到副邊繞組；電動汽車側在信號控制電路控制下，經整流濾波、功率調節(jié)，最終實現(xiàn)為車載電池充電。

1.2 磁諧振電力傳輸

如圖2所示，該系統(tǒng)主要由電源側發(fā)射端、發(fā)射線圈、接收線圈和電動汽車側接收端組成。ERPT是利用線圈及電容組成諧振電路，使發(fā)射端與接收端的諧振回路的固有頻率與電源工作頻率相同，從而引起發(fā)射和接收諧振電路發(fā)生諧振，實現(xiàn)能量的無線傳輸。

圖2 電動汽車磁諧振無線充電原理圖

1.3 微波電力傳輸

微波電力傳輸技術主要由微波發(fā)射模塊和微波接收模塊組成，利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電波，經過處理轉化為穩(wěn)定的直流電壓，再對電池進行充電，從而實現(xiàn)能量轉換和傳輸。

3 種無線充電技術利弊比較見表1。

表1 無線充電技術利弊歸納表

由表1可知，對于電動汽車無線充電的實際應用，采用磁諧振電力傳輸技術是較佳的選擇。

2 磁諧振無線充電系統(tǒng)

磁諧振的無線充電系統(tǒng)主要由電源輸入電路、發(fā)射與接收諧振回路和電動汽車充電電路3大模塊組成。

2.1 電源輸入電路模塊

介紹2種結構的電源輸入電路。振蕩器結構的電源輸入電路（見圖2下半部分）采用了振蕩器結構實現(xiàn)直流-交流和變頻（變高頻）的轉化，高頻逆變結構的電源輸入電路（見圖1下半部分）采用了整流濾波電路和高頻逆變電路的結構。由于較大容量振蕩器體積較大，且振蕩器的價格昂貴，而整流濾波電路和高頻逆變電路的結構彌補了上述的不足，也能較好地實現(xiàn)變頻控制和功率輸出控制，因此采用圖1下半部分結構。

高頻逆變結構的關鍵技術在于逆變高頻電路的設計。目前，電壓型高頻逆變的主電路拓撲結構主要有推挽式拓撲（圖3）、半橋式拓撲（圖4）和全橋式拓撲（圖5）等。

全橋式逆變的弊端是所需的功率器件多，需較復雜的驅動電路。但同推挽式逆變相比，全橋式高頻逆變電路需開關管承受的電壓和電流都較低且原理簡單；同半橋式逆變相比，當負載相同時，全橋逆變輸出電壓和電流幅值為單相半橋逆變電路的2倍，輸出功率相對較高。因此，在電動汽車上采用全橋高頻逆變的方案，能獲得更好的性能和性價比。

對于電動汽車無線充電，韓國科學技術院研究團隊研制了功率為6.6 kW，效率達95%，直流母線電壓為540V，輸出電壓為400V；密歇根大學Mi團隊開發(fā)出了功率為8 kW，效率達95%，直流母線電壓420V，輸出電壓500V。研究表明低頻的磁諧振無線充電距離較短；而高頻的磁諧振無線充電輸出效率較低，成本也較高，目前尚不具備實用性，百kHz的頻率范圍將會成為近年來研究的一個重要頻率范圍和趨勢。這些研究說明對于逆變器開關管耐壓需達到幾百V，頻率要達到幾百kHz，MOSFET開關管是最佳的選擇。

圖3 電壓型推挽式諧振逆變器

圖4 半橋式拓撲諧振逆變器

圖5 全橋式拓撲諧振逆變器

2.2 發(fā)射和接收諧振回路模塊

諧振回路的設計有如圖6所示的4種方案，一次側和二次側分別采用串聯(lián)-串聯(lián)（S-S）、串聯(lián)-并聯(lián)（SP）、并聯(lián)-串聯(lián)（P-S）、并聯(lián)-并聯(lián)（P-P）。

圖6 補償回路的4種結構

為了系統(tǒng)輸出功率等級和效率達到最優(yōu)，必須保證無線充電系統(tǒng)的工作頻率與一次側諧振回路固有頻率相等，同時還與二次側的諧振回路固有頻率相等。當系統(tǒng)處于磁共振的狀態(tài)時，對這4種結構的參量進行歸納總結見表2。S-S結構只需控制ω、Lp、Cp三者之間的參量就能控制系統(tǒng)產生磁共振；含有并聯(lián)的拓撲結構系統(tǒng)，還與互感量M有關；P-S、P-P兩種結構還和負載RL有關系。

在實際中，當電動汽車無線充電系統(tǒng)工作時，由于停車位置不是完全一致，會造成接收線圈和發(fā)射線圈的偏移，互感必然發(fā)生變化。不同汽車的電池有所差異，會導致原邊諧振點發(fā)生變化，大大降低系統(tǒng)效率和能量傳輸等級。對于整個系統(tǒng)而言，選用S-S更容易控制系統(tǒng)工作于磁共振的最佳工況。

表2 補償回路4種結構的參數關系歸納

諧振回路中，線圈的設計是此模塊的技術難點也是系統(tǒng)最關鍵的元件之一。近年來，國外在這方面已取得比較好的成果；國內研發(fā)車用無線充電有中興通訊公司，其他主要都集中在非電動汽車應用的低功率方面的研究，國內新型結構線圈設計較少，主要通過改進優(yōu)化。具體總結如表3。

2.3 電動汽車側充電電路

電動汽車側充電電路見圖2上半部分，主要包括整流濾波電路、電池管理電路、反饋控制電路和電池。二次側的諧振回路接收到的電能經過整流濾波與電池管理電路在反饋控制電路的控制下給電池完成充電。根據韓國科學技術院團隊和密歇根大學Mi團隊的研究結果，輸出的電壓能達到500V左右，所以需要選用耐壓較高的元器件。

2.4 控制方法

電動汽車無線充電系統(tǒng)中大部分為閉環(huán)控制，若系統(tǒng)參數發(fā)生變化或者擾動時，通過控制系統(tǒng)對電流和電壓進行快速調節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定地工作在最佳的狀態(tài)。恒流控制、移相控制和變頻控制是電動汽車無線充電系統(tǒng)常用的3種控制方式。

2.4.1 恒流控制

通過控制系統(tǒng)采集電流的信號，保持發(fā)射線圈中的電流恒定的負反饋控制方式為恒流控制。當系統(tǒng)中充電距離和負載等參數發(fā)生變化時，反饋電路能夠快速地調節(jié)，保持系統(tǒng)的電壓輸出穩(wěn)定，維持系統(tǒng)工作在最佳的工況。當線圈相對位置保持不變時，無線能量傳輸結構的輸出電壓為原邊電流的常數倍，即輸出電壓和輸入電流成正比例關系，因此可以實現(xiàn)恒流控制。

2.4.2 移相控制

通過控制全橋逆變電路開關管的驅動信號的相位，從而調節(jié)能量傳輸參數的控制方式稱為移相控制。當系統(tǒng)需要調節(jié)能量傳輸參數時，控制驅動信號的相位，使在每半個控制周期內，逆變電路的橋臂存在直通，就能對直流電感進行儲能；當直通結束后，諧振電感和電容把直流電感中增加的能量傳遞到接收端，從而達到控制系統(tǒng)傳輸功率的目的。

表3 國內外線圈設計歸納

圖7 DD型線圈

圖8 美國橡樹林國家

圖9 猶他大學設計的線圈

圖10 日本埼玉大學設計的線圈

2.4.3 變頻控制

變頻控制是根據不同的工況，通過變頻控制改變電源輸入電路的工作頻率，來調節(jié)系統(tǒng)處于最佳的工況。

圖11 哈爾濱工業(yè)大學設計的線圈

鎖相環(huán)控制技術是無線充電系統(tǒng)最常用的變頻控制方式。通過檢測接收端電壓與線圈中電流的相位差來控制系統(tǒng)工作的頻率點，實現(xiàn)系統(tǒng)自動調節(jié)。鎖相環(huán)見圖12，一般由PC（相位比較器）、LF（環(huán)路濾波器）和VCO（壓控振蕩器）3部分組成。當系統(tǒng)參數變化或者其它干擾，電路會工作于非諧振狀態(tài)，即工作頻率和諧振固有頻率不同，基準信號和壓控振蕩器的信號就存在相位差。利用鎖相環(huán)節(jié)，采集它們的相位差，調節(jié)工頻，使二者的相位差處于允許的范圍。具體來說，相位器比較反饋信號和基準信號的相位，并將相位差表示成脈沖電壓信號，從而實現(xiàn)相位檢測；在環(huán)路濾波環(huán)節(jié)中，脈沖電壓信號經過濾波、放大等過程，最終形成控制電壓信號；控制電壓信號在壓控振蕩器的作用下，輸出驅動開關管電壓信號，控制開關管的通斷狀態(tài)，使高頻逆變器的開關頻率跟隨初級側諧振頻率處于動態(tài)的變化控制的過程，實現(xiàn)對初級側頻率跟蹤控制。

圖12 鎖相環(huán)控制技術結構圖

3 系統(tǒng)中主要參量的關系

系統(tǒng)傳輸特性的影響參量主要包括輸入一次側電源頻率、諧振回路固有頻率、負載電阻、距離、品質因數等參數。

如圖13和圖14所示，其它參數一定時，傳輸效率隨距離增大而減小。當傳輸距離不變時，系統(tǒng)的輸出功率隨系統(tǒng)諧振頻率的增大先升高后下降，傳輸效率隨系統(tǒng)諧振頻率的增加而逐漸提高；當系統(tǒng)諧振頻率較低時，近距離傳輸可實現(xiàn)較大的輸出功率；相反地，當系統(tǒng)諧振頻率高時，遠距離傳輸可實現(xiàn)較大的輸出功率。

Qs、Qd分別為發(fā)射回路和接收回路的品質因數，Qg2=Qs×Qd。由圖15可以得出品質因數越高，諧振回路的選擇性相對也就越多，系統(tǒng)輸出功率隨品質因數幾何平均值的增大呈先升高后下降的關系；如圖16傳輸效率則有隨品質因數幾何平均值增大而增大的變化趨勢。

對于負載的特性，系統(tǒng)的效率先在較小的范圍內隨負載增大快速增大，而后隨負載的增大緩慢下降。對于功率系統(tǒng)則是先隨著負載的增大而逐漸增大，而后趨于平緩。

在充電過程中，在不同工況下，根據各個參量相互間的關系，調節(jié)反饋系統(tǒng)相應系統(tǒng)參數，從而實現(xiàn)最佳功率特性、距離特性和傳輸效率特性。

圖13 諧振頻率與輸出效率關系曲線

圖14 諧振頻率與輸出功率關系曲線

圖15 Qg與輸出功率的關系曲線

圖16 Qg與輸出效率的關系曲線

4 總結

與傳統(tǒng)的插電式和電池更換的形式相比，無線充電技術有著不可替代的優(yōu)勢。近年來，無線充電成為此領域的研究熱點，許多實際工程問題有待解決，但隨著研究的不斷進展，也將逐步走向產品化。目前對于磁諧振無線充電歸納出如下有待解決與完善的難題和未來的研究趨勢。

1）MHz和百kHz的頻率范圍和無線充電系統(tǒng)中，高頻線圈參數優(yōu)化問題。主要受到實際應用時線圈尺寸和兩線圈之間充電距離影響，優(yōu)化難度大大提高。

2）由于磁諧振無線充電需要高頻的交流電源，性能較好的高頻逆變電路設計是系統(tǒng)需要克服的一大技術難題，而且引入高頻逆變裝置后會對整個裝置產生很大的影響，這就對高頻逆變器提出了更高的要求。

3）MHz和百kHz的頻率范圍無線充電的功率和效率相對較低，成本也較高，若想要從理論走向應用，需要克服技術和成本的問題。

4）優(yōu)化線圈、改進磁性材料結構來進一步提升磁諧振機構的耦合系數，升高系統(tǒng)效率，進一步降低磁場輻射。

5）通過改進結構和結合電路控制進一步提高磁諧振機構對橫向偏移的容忍度，降低電動汽車無線充電使用過程中對泊車位置的要求，提高使用方便性。

6）研究開發(fā)適用于電動汽車上的無線充電的高性能電磁場屏蔽技術。

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（編輯 陳程）

W ireless Charging Technology on Electric Vehicle

LIN Li-wen，ZHAI Li，SONG Chao
（School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

With the spread of green-economy idea，the development of electric vehicles promotes the research of wireless charging，which will become the best choice of electric vehicle energy supply in the future.The article firstly introduces principles of Inductively Coupled Power Transfer（ICPT），Electromagnetic Resonance Power Transfer（ERPT）and Radio Waves for wireless charging technology；discusses overall structure and module principals of ERPT，as well as pros and cons of various schemes；demonstrates the relationship between the various parameters of the whole system and the control method in this technology；finally，makes a summary and points out existing problems and development trend about ERPT.

electric vehicles；wireless charging；electromagnetic resonance

U469.72

A

1003－8639（2016）08－0001－05

2016-01-07；

2016-03-06

林立文，男，在讀研究生；翟麗，女，副教授，從事車輛電驅動系統(tǒng)電磁兼容和電傳動車輛動力學控制研究工作；宋超，男，在讀研究生。