電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)設計

王寧 楊慶新

摘? 要： 針對電動汽車的車載電池續(xù)航距離短、充電時間長的現(xiàn)狀，設計一套基于電磁耦合諧振的電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為能量發(fā)射部分和能量接收部分，以STM32為控制核心，實現(xiàn)發(fā)射端的線圈切換管理及接收端的能量管理功能，具有靜止充電、驅動行駛和動態(tài)充電三種模式狀態(tài)。實驗結果表明，所設計系統(tǒng)可以根據車載電池電壓，自動切換工作模式，采用嵌套方式的接收線圈，在偏移40%情況內，輸出功率基本穩(wěn)定。該設計能夠實現(xiàn)電動汽車無線充電的智能化，有助于加快商用化速度。

關鍵詞： 無線充電; 電動汽車; 系統(tǒng)設計; 電路設計; 能量管理; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN830.1?34; TP29? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）10?0025?05

Design of dynamic wireless charging system for electric vehicle

WANG Ning， YANG Qingxin

（Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In allusion to the current situation of short cruising distance and long charging time of on?board batteries of the electric vehicles， a dynamic wireless charging system based on electromagnetic coupling resonance is designed for the electric vehicle. The system is divided into the energy transmitting part and the energy receiving part. In the system， STM32 is taken as the control core to implement the functions of coil switching management at the transmitting end and energy management at the receiving end. The system has three modes： static charging， running charging and dynamic charging.? The experimental results show that the designed system can switch working mode according to the on?board battery voltage automatically. The receiving coil with nested mode has basically stable output power within the deviation of 40%. This design can realize the intelligentization of wireless charging of electric vehicle， which is helpful in accelerating the commercial application.

Keywords： wireless charging; electric vehicle; system design; circuit design; energy management; system test

0? 引? 言

無線電能傳輸技術能夠避免用設備與電網的直接連接，具有靈活、安全、可靠等優(yōu)勢，成為有線供電方式的重要補充，受到世界各國同行的廣泛重視[1]。按照電能傳輸過程中，發(fā)射端和接收端的相對位置是否變化，該技術分為靜態(tài)無線電能傳輸技術和動態(tài)無線電能傳輸技術[2]。動態(tài)無線充電系統(tǒng)可以實現(xiàn)電動汽車在行駛過程中充電，減少車載電池容量，進一步降低電池成本、大小和重量[3]。

目前，國內外研究主要集中在電磁耦合機構設計[4]、電能變換拓撲結構[5]、補償網絡結構[6]、系統(tǒng)建模方法[7]等方面。多數(shù)文獻中的無線電能傳輸系統(tǒng)以鹵素燈或是功率電阻作為負載。電機負載[8]、鋰電池負載[9]的文獻并不多見。

本文設計一種基于電磁耦合諧振的電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為能量發(fā)射部分和能量接收部分，以STM32為控制核心，實現(xiàn)發(fā)射端的線圈切換管理、接收端的能量管理功能，具有靜止充電狀態(tài)、驅動行駛狀態(tài)和動態(tài)充電狀態(tài)。在兒童電動車底盤加裝無線電能接收線圈，接收到的電能經過整流濾波后給電機和車載電池供電。實驗結果表明，系統(tǒng)可以根據采集到的車載電池電壓值，自動切換工作狀態(tài)。本設計以電機和蓄電池為負載，更加真實地實現(xiàn)了電動汽車動態(tài)無線充電過程，具有很強的實用價值。

1? 動態(tài)無線電能傳輸?shù)目傮w結構

1.1? 基本結構

電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)主要分為發(fā)射端功率發(fā)射裝置和接收端功率接收裝置兩大部分，如圖1所示。市電經過高頻逆變器形成高頻方波，補償網絡與發(fā)射線圈的自感產生諧振，進而在發(fā)射線圈中形成高頻正弦波?；陔姶鸥袘?，接收線圈中產生同樣頻率的高頻電流，經過AC?DC轉換后，為車載負載供電。為了避免額外的功率損耗和電磁輻射問題，通常采用分段式多發(fā)射線圈方式。因此，電動汽車在鋪設發(fā)射線圈的道路行駛過程中，能夠實現(xiàn)車載電池的在線充電，減少等待時間。

1.2? 電路模型

無線電能傳輸系統(tǒng)的電路建模主要包括：基于松耦合變壓器的漏感模型和互感模型。其中，互感模型是用互感表征原副邊線圈之間的耦合效應。由于原副邊勵磁電感和漏感的存在，通常在電路中加入補償網絡，構成諧振電路，從而改善系統(tǒng)的傳輸性能，降低系統(tǒng)對電源容量的要求。典型的補償拓撲包括串聯(lián)型（S）、并聯(lián)型（P）、SP型、LCC型等多種形式。

根據分段式發(fā)射線圈的設計方案，發(fā)射線圈具有工作狀態(tài)和靜息狀態(tài)[10]。本文基于串聯(lián)?串聯(lián)形式的無線電能傳輸系統(tǒng)進行電路模型分析，簡化的電路模型如圖2所示。圖2中，[IP1]和[IP2]分別為發(fā)射線圈1和2的回路電流;[IS]為接收線圈的回路電流;[M1]為接收線圈與發(fā)射線圈1之間的互感;[M2]為接收線圈與發(fā)射線圈2之間的互感;[M12]為發(fā)射線圈1和2之間的互感;[U1]和[U2]為高頻逆變器輸出電源;[LP1]，[LP2]和[LS]分別為發(fā)射線圈1、發(fā)射線圈2和接收線圈的自感;[CP1]，[CP2]和[CS]分別發(fā)射線圈1、發(fā)射線圈2和接收線圈的補償電容;Z為電動汽車的等效負載。

設諧振頻率為[ω0]，電源內阻為[rs]，根據基爾霍夫定律可得：

[U1=IP1rs-jω0M1IS-jω0M12IP2U2=IP2rs-jω0M2IS-jω0M12IP10=ISZ-jω0M1IP1-jω0M1IP2] （1）

最后可以得出系統(tǒng)的輸出功率和效率：

[PO=ISRe（Z）U2=ISRe（Z）U1IP1+U2IP2] （2）

2? 能量發(fā)射部分

相比于長導軌方式，分段式發(fā)射線圈方式只對充電車輛下方及臨近的線圈產生激勵磁場，減少了磁場泄漏，提高了互感耦合系數(shù)，進而提高了系統(tǒng)的整體傳輸效率。

2.1? 發(fā)射線圈設計

中型小轎車的外形尺寸約為5 m×2 m，底盤距離地面高度為20 cm。為保證同一時刻，一個線圈最多只對一輛電動汽車充電，取單個發(fā)射線圈的長度為車的長度[11]，即5 m。單行車道的標準寬度為3～3.5 m，本設計以3 m為例，為減少無線電能傳輸過程中的電磁輻射，設定發(fā)射線圈的寬度為1 m。建立10∶1的縮比模型，發(fā)射線圈的實物如圖3所示，參數(shù)如表1所示。

2.2? 線圈切換管理

分段式發(fā)射線圈之間的連接方式包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)方式下，各發(fā)射線圈的回路電流一致，但是線圈切換時，補償電容也要隨著變化;并聯(lián)方式下，各發(fā)射線圈的開關互不影響，但是匹配電容值的精度要求較高，否則各發(fā)射線圈的回路電流不均。本設計采取串聯(lián)方式，發(fā)射線圈的布局如圖4所示。

汽車從右向左行駛在發(fā)射線圈上方，發(fā)射線圈全部串聯(lián)接入高頻逆變電源。每一個傳感器都在其對應的發(fā)射線圈前端，保證線圈切換時，接收線圈對應的下方區(qū)域的發(fā)射線圈處于工作狀態(tài)。最多有兩個發(fā)射線圈同時工作，此時補償電容也隨著切換。

發(fā)射端控制系統(tǒng)由STM32控制器、傳感器、發(fā)射線圈和開關控制電路構成。紅外傳感器檢測電動汽車的位置，并將信息發(fā)送給STM32控制器。STM32控制器根據傳感器傳回來的數(shù)據信息判斷并控制各發(fā)射線圈的通斷。發(fā)射端控制系統(tǒng)結構圖如圖5所示。

3? 能量接收部分

電能通過耦合諧振的方式傳輸?shù)杰囕d線圈，高頻電流通過不控整流裝置和濾波裝置為負載提供電能。

3.1? 工作模式

接收端管理控制系統(tǒng)的結構如圖6所示。通過S1，S2和S3的開關狀態(tài)，控制電動汽車的工作模式。當電動汽車正常行駛時，S3閉合，電池驅動電機轉動。當電動汽車處于無線充電狀態(tài)時，S3斷開，分為靜止充電、驅動行駛和動態(tài)充電三種工作狀態(tài)。

1） S1閉合、S2斷開：接收到的電能經過轉換后直接給電池充電，此時為靜態(tài)充電狀態(tài)，檢測鋰電池的端電壓來控制充電電流。

2） S1斷開、S2閉合：接收到的電能經過轉換后直接驅動電機，此時為驅動行駛狀態(tài)，系統(tǒng)不給鋰電池充電。

3） S1，S2同時閉合：接收到的電能經過轉換后同時給電池充電和驅動電機，此時為動態(tài)充電狀態(tài)，即邊行駛邊充電。

3.2? 接收線圈設計

電動汽車的行駛路線不是筆直的線，而是存在側向偏移的曲線，如第2.1節(jié)所述，側向偏移距離最大為0.5 m。經過實驗驗證，同等長度的利茲線繞制的接收線圈，其與發(fā)射線圈的繞組重合面積越大，二者之間的互感越大，也就是說車載接收線圈的寬度和匝數(shù)與發(fā)射線圈一致時，接收效果最好。然而，當接收線圈側向偏移時，互感下降，因此，為保證電動汽車在偏移情況下接收足夠的功率，本設計的接收線圈采取嵌套式，包括內線圈和外線圈，如圖7所示。接收線圈的參數(shù)如表2所示。

3.3? 能量管理

當電池處于充電狀態(tài)時，接收到的電能經過轉換后直接給電池充電。電池的開路電壓、工作電壓和終止電壓均可用來表示電池的電壓特性。

3.3.1? 鋰電池的特性

1） 開路電壓，即電池在沒有外部電流流過時，其正負極之間的電位差，其值總是小于電池電動勢。鋰電池的開路電壓與其正負極材料及充放電狀態(tài)有關。通常釆用電池的開路電壓。本設計采用開路電壓法，利用STM32測量電池兩端的開路電壓，進一步推算電池的剩余容量。

2） 工作電壓，即電池放電過程中電池的端電壓，可用電流流過外部電路時其正負電極間的電位差表示。工作電壓用來表示電池在工作中的實際輸出電壓，當電池有電流流經時，其內部會在電池內阻上產生壓降。因此，工作電壓值一般在放電終止電壓和電池開路電壓之間。

3） 終止電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓，電池充電終止電壓又分為最高充電終止電壓和最低充電終止電壓。實時檢測鋰電池的開路電壓和充電終止電壓以及放電終止電壓，并與其產品數(shù)據手冊對比，以此判斷電池是否充滿或者電量是否用完。并使微處理器強制切斷電池充電通道和電池放電通道，以保護電池。

3.3.2? 電機的特性

本設計采用直流有刷電機，主要包括端子、簧片、線圈和換向器。帶電線圈在釘子磁場中旋轉一定的角度，然后換向器將供電電壓接入另一個線圈;另一個線圈旋轉一個角度后，再換向。在電磁轉矩的作用下，轉子連續(xù)旋轉。對于直流有刷電機來講，改變其供電電壓，就會改變轉子線圈中的電流，進而改變在定子磁場中所受的安培力。電機的轉速隨著轉矩的增加而升高，隨著轉矩的減小而降低。在某一特定區(qū)域內，電機的轉速和供電電壓是線性關系。因此，本設計利用A/D模塊采集鋰電池的端電壓，進而判斷電池的工作狀態(tài);采集電機的供電電壓，經過STM32計算后，控制驅動模塊的輸出電壓，進而控制電機的轉速。

4? 實驗結果與分析

4.1? 發(fā)射線圈的性能測試

電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)采用多發(fā)射線圈方式時，相鄰線圈之間存在功率波動[12]。本設計采用兩個參數(shù)相同的發(fā)射線圈，并使得相鄰發(fā)射線圈之間的電流相位相同。實驗過程中，接收線圈從左往右，依次經過兩個發(fā)射線圈。設定高頻逆變電源輸出電壓為4 V，輸出電流為2.5 A，負載為鹵鎢燈。接收功率曲線如圖8所示。由圖8可以得出，d表示兩個發(fā)射線圈的間距。實驗過程中，d在0～3的范圍內增加，結果表明，d=0時，接收功率的波動最小。在發(fā)射線圈的兩端，接收功率增加是因為發(fā)射線圈與接收線圈的有效重合面積增加;而在發(fā)射線圈中間移動時，接收功率平穩(wěn)。

4.2? 接收線圈的性能測試

內線圈的寬度、匝數(shù)均與發(fā)射線圈的寬度一致。在內線圈發(fā)生偏移時，外線圈起到補償作用。設定高頻逆變電源輸出電壓為20 V，輸出電流為1 A，負載為鹵鎢燈。接收線圈與發(fā)射線圈的間距為2 cm。偏移情況下的接收功率曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出，內線圈在偏移40%時，接收功率下降38.9%;偏移80%時，接收功率下降87%。增加補償線圈后，偏移40%時，接收功率僅下降2.1%;而在偏移80%時，接收功率下降16.9%。

4.3? 樣機的性能測試

本設計改裝市面上的兒童電動車，在底盤增加了接收線圈，并搭建了能量接收管理系統(tǒng)，系統(tǒng)樣機如圖10所示。

4.3.1? 靜止充電狀態(tài)

鋰電池的充電時間較長，測試并沒有從電池的終止電壓開始，而是從端電壓值為12.75 V開始，該值通過萬用表測得。設定高頻逆變電源輸出電壓為2 V，輸出電流為5 A，鋰電池的充電曲線如圖11所示。充電35 min后，端電壓達到12.9 V，電池充滿。

4.3.2? 動態(tài)充電狀態(tài)

兒童車電機的型號是RS390S直流有刷電機。設定高頻逆變電源輸出電壓為7 V，輸出電流為5 A。通過接收端控制器控制電機驅動模塊的輸出電壓值，以調節(jié)電機轉速。鋰電池的充電曲線如圖12所示。

圖12中，電機的驅動電壓越高，表明電機的轉速越快，意味著汽車行駛的速度越快，所消耗的功率越大。因此，發(fā)射端功率不變的情況下，車速越快，電動汽車的充電時間越長，也意味著行駛的距離越遠。

5? 結? 語

本文設計一種基于電磁耦合諧振的電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)，包括能量發(fā)射和能量接收兩大部分?？刂撇糠忠許TM32微處理器為控制核心，實現(xiàn)發(fā)射端的線圈切換管理以及接收端的能量管理功能。采用串聯(lián)型發(fā)射線圈方式，驗證了無線電能傳輸功能。采用嵌入式接收線圈，提高了偏移情況的接收功率的穩(wěn)定性。在兒童電動車底盤加裝無線電能接收線圈，系統(tǒng)能夠根據采集到車載電池的電壓值，自動切換工作狀態(tài)。測試了不同車速下的電池充電時間，結果表明，車速越快，需要的充電時間越長，意味著行駛的距離越遠。下一步研究工作是充電后自動結算功能，即電動汽車充滿或駛離充電道路后，實現(xiàn)自動扣費功能。

參考文獻

[1] 楊慶新，章鵬程，祝麗花，等.無線電能傳輸技術的關鍵基礎與技術瓶頸問題[J].電工技術學報，2015，30（5）：1?8.

[2] 朱春波，姜金海，宋凱，等.電動汽車動態(tài)無線充電關鍵技術研究進展[J].電力系統(tǒng)自動化，2017，41（2）：60?72.

[3] BUJA G， RIM C T， MI C C. Dynamic charging of electric vehicles by wireless power transfer [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2016， 63（10）： 6530?6532.

[4] MILLER J M， JONES P T， LI J M， et al. ORNL experience and challenges facing dynamic wireless power charging of EV′s [J]. IEEE circuits and systems magazine， 2015， 15（2）： 40?53.

[5] COVIC G A， BOYS J T， KISSIN M L G， et al. A three?phase inductive power transfer system for roadway?powered vehicles [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2007， 54（6）： 3374?3378.

[6] 趙錦波，蔡濤，段善旭，等.適用于分段式動態(tài)無線充電的T型抗偏移補償拓撲[J].電工技術學報，2017，32（18）：1?8.

[7] LEE S， CHOI B， RIM C T. Dynamics characterization of the inductive power transfer system for online electric vehicles by Laplace phasor transform [J]. IEEE transactions on power electronics， 2013， 28（12）： 5902?5909.

[8] 蔡華，史黎明，張發(fā)聰，等.基于直線感應電機負載的移動式無接觸供電特性分析[J].電工技術學報，2015，30（12）：505?511.

[9] 張輝，王換民，李寧，等.電動汽車無線充電混合補償拓撲電路分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2016，40（16）：71?75.

[10] 郭彥杰，王麗芳，張俊智，等.電動汽車動態(tài)無線充電系統(tǒng)特性的研究[J].汽車工程，2017，39（6）：642?647.

[11] 趙錦波.分段式動態(tài)無線充電的抗偏移及中繼接力方法研究[D].武漢：華中科技大學，2016.

[12] LU Fei， ZHANG Hua， HOFMANN Heath， et al. A dynamic charging system with reduced output power pulsation for electric vehicles [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2016， 63（10）： 6580?6590.