自動諧振的電動汽車無線充電裝置

王相雯　汝玉星　吳戈　林世坤　田小建　蔡振龍

摘 要：目前電動汽車充電方式多通過有線充電方式，極其限制電動汽車的普及。而無線充電技術多以電路較簡單的較成熟的感應式無線充電技術為主，電磁感應的磁場發(fā)散性較強，對距離及放電受電線圈要求位置要求較高?，F電動汽車充電裝置的磁耦合共振無線傳輸系統(tǒng)多針對固定汽車型號。本文主要研究通過接收次級回路的參數，從而控制主回路電容調制，以自動諧振的磁耦合共振無線傳輸系統(tǒng)來實現對不同接收回路的充電，從而滿足對不同型號電動汽車的充電兼容。

關鍵詞：磁耦合共振 無線充電 自動諧振

Automatic Resonance Electric Vehicle Wireless Charging Device

Wang Xiangwen，Ru Yuxing，Wu Ge，Lin Shikun，Tian Xiaojian，Cai Zhenlong

Abstract：At present， most electric vehicle charging methods are wired charging methods， which extremely restricts the popularization of electric vehicles. The wireless charging technology is mostly based on the more mature inductive wireless charging technology with simpler circuits. The magnetic field of electromagnetic induction has strong divergence， and it has higher requirements on the distance and the position of the discharge power receiving coil. The current magnetic coupling resonance wireless transmission system of electric vehicle charging devices is mostly aimed at fixed vehicle models. This paper mainly studies the control of the capacitance modulation of the main circuit by receiving the parameters of the secondary circuit， and the automatic resonance magnetic coupling resonance wireless transmission system to realize the charging of different receiving circuits， so as to meet the charging compatibility of different types of electric vehicles.

Key words：magnetic coupling resonance， wireless charging， automatic resonance

1 引言

傳統(tǒng)能源不僅對環(huán)境污染有較大影響，亦面臨著能源枯竭危機。汽車已成為現當代普遍的代步工具，隨著人們的環(huán)保意識增強，對汽車的能源驅動替代亦逐漸形成趨勢[1]。新能源汽車的充電問題成為電動汽車發(fā)展的瓶頸。據Strategy Analytics統(tǒng)計，2019年全球無線充電市場規(guī)模為86億元，其中汽車占比為29%，在應用前景的占比上僅次于消費電子。但現今較為成熟的接觸式無線充電技術，亦存在許多問題即由于電磁感應原理限制了被充電物與充電物的距離與相對位置，為無線充電帶來許多不便。現磁耦合共振的方式由于更安全的免觸電特點，更長的傳輸方式，更靈活的相對位置等優(yōu)點被廣泛關注[2-3]，但在電動汽車的無線充電應用方面仍存在由于接受回路參數對發(fā)射回路諧振充電系統(tǒng)難以滿足不同廠家型號汽車的問題。

本文在用較小線圈內半徑的圓形-圓形線圈互感，且增加6根磁芯以提高磁耦合系數[4]，從而在耦合系數方面保證較高功率，初級回路傳輸到次級回路能量較高的前提下，通過自動嘗試不同補償電容，從而比較初級回路取樣電阻交流電壓振幅，以獲得初級回路最大電流即諧振時補償電容大小，從而在不同汽車型號接入時，完成初級回路的自動諧振。

2 電動汽車無線充電裝置設計

由單片機對不同幅值的記錄與比較，對補償電容的改變以及對高頻逆變電路的PWM波控制，以實現全自動化。以下采用等效電路理論分析方法，對傳輸功率及效率的關鍵組成部分即諧振單元初級回路進行分析。

2.1 高頻逆變電路模塊

高頻逆變電路模塊如圖1所示發(fā)射線圈即電感L1與電容C2可等效為耦合回路等效電路初級回路中L1與C3，如圖2。并由單片機控制4個特殊設計以減小轉換過程中能量衰減的驅動電路，控制4個場效應管Q1，Q2，Q3，Q4的柵極，以實現場效應管的開關應用。4個場效應管Q1，Q2，Q3，Q4構成逆變電路，通過對角導通的方式，即Q1，Q4導通Q2，Q3閉合或者閉合Q1，Q4導通Q2，Q3，對由交直流轉換電路對220V市電進行整流得出的穩(wěn)壓直流信號逆變成高頻交流信號[5]。此4個場效應管及其控制電路，以及輸入的直流信號可等效為圖2中信號源1。

對圖2等效電路，若輸入信號源1為方波，則方波信號可分解為：

又當互感耦合回路諧振時，諧振回路濾除各諧波分量，得角頻率為ω的正弦信號。為方便分析，設輸入信號源為角頻率為ω的正弦電壓，初、次級回路中電流為，，初級回路阻抗，則由基爾霍夫定律，得出圖2的回路方程為：

設初級回路自阻抗為Z11=Z1+jωL1，次級回路自阻抗為Z22=Z2+jωL2解得

又當次級回路耦合時，初級回路對次級回路的影響可等效為一個反射阻抗，如圖3所示，則此時次級回路對初級回路的諧振未產生影響[6]。

為達到以上耦合回路諧振情況，對初級回路的電容并聯(lián)電容補償電路，從而與次級回路等效至初級回路的電抗相抵消，進而未改變初級回路的諧振情況。等效為通過次級回路等效至初級回路的阻抗傳遞能量，實際即接收線圈將接收到的能量通過后級相應電路轉換為所需電能，從而為電動汽車的蓄電池充電。

2.2 電容補償電路模塊

電容補償電路如圖4，此模塊并聯(lián)于圖1高頻逆變電路模塊電容C2兩端。單片機控制繼電器電路，從而實現對不同補償電容的選擇接入，由容抗的特性，以較大范圍地與次級回路反饋至初級回路的電抗值相消[7]。

2.2.1 電容補償網絡

電容補償網絡如圖5。通過out1與out2將補償網絡并聯(lián)于圖1中兩端。將多個小容值電容相并聯(lián)，并用繼電器驅動電路控制開關的通斷，以控制各電容支路的接入。

2.2.2 繼電器驅動電路

繼電器驅動電路如圖6。由單片機接入in控制繼電器驅動電路從而控制開關通斷。其中繼電器與單片機之間并未直接相連，為消除繼電器線圈或高頻逆變電路對單片機的影響，在繼電器與單片機之間用光耦進行隔離，通過調整控制端電流改變占空比進而穩(wěn)壓。

2.3 幅度檢測電路模塊

將高頻逆變電路與幅度檢測電路（圖7）相串聯(lián)，用取樣電阻Rs兩端交流電壓振幅來反映高頻逆變電路中電流的大小，即反映后者諧振情況。其中取樣電阻Rs采用大功率且小阻值的電阻以減少能量的消耗。

對此電壓振幅的檢測采用高阻抗差分的處理，以增強檢測的方便以及減少幅度檢測電路對高頻逆變電路的影響。

將通過高阻抗差分電路的信號進行模數轉換，記錄進單片機中。由單片機選出最大幅度，則此時次級回路功率達到最大值，從而匹配出此時即諧振時的補償電容值，并接入高頻逆變電路模塊中。

3 實現自動諧振無線充電功能

將交直流轉換電路模塊高頻逆變電路模塊，電容補償電路模塊，幅度檢測電路模塊及模數轉換電路模塊輸入輸出對應相連接，使其按照圖8中流程實現對不同電動汽車的自動諧振無線充電功能。

按照上圖自動諧振流程，由單片機選出使發(fā)射回路處于諧振狀態(tài)的補償電容，并將其接入主電路，對汽車進行充電，從而從保證初級次級回路同時諧振方面，保證不同負載下均達到較高傳輸功率及效率。

4 仿真及實驗驗證

當次級回路中負載電阻為1Ω，初級回路信號頻率f為50KHz，初級回路電感L1為280μH時，要達到諧振，則

則理論上在此種假定的情況下達到諧振時初級回路電容為36.19nF。

在以上次級回路中負載電阻，初級回路信號頻率及初級回路電感各數據前提下，對不同補償電容的接入高頻逆變電路進行Multisim仿真，探究補償電容與初級回路功率，次級電路獲得功率以及電路效率之間的關系。

如圖9圖10所示，在保持高傳輸效率85%左右情況下，當初級回路功率達到最高點時，次級回路功率亦達到最高，此時回路諧振，初級回路電容為38nF，與耦合回路諧振時理論初級回路電容值相符合，相對誤差僅為約5%，精準度較高。初級回路電容容值逐漸偏離諧振所需容值時，耦合回路失諧，初級回路及次級回路功率皆減少。

5 結語

本文通過用單片機對不同補償電容接入下的高頻逆變電路輸出電流的大小間接比較，得出耦合回路中初級回路諧振時所需補償電容，進而抵消次級回路對初級回路的電抗影響，以實現系統(tǒng)對不同電動汽車充電時，初級回路能夠在較高效率及功率下自動諧振。

參考文獻：

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[5]包日南，馬邦華，曹媛莉，戰(zhàn)張磊.無線充電系統(tǒng)逆變器 ZVS 的實現[J].Electric Power Science and Engineering，2020：66-72

[6]張肅文.高頻電子線路[M].高等教育出版社，2009.

[7]鐘英，劉嘉欣，彭義峰，倪吉信，楊晨馨.非接觸式無線充電技術的補償研究[J]. Technology and Economic Guide，2020：7-8.

課題：（1）吉林省科技發(fā)展計劃項目“分布式電動汽車無線充電系統(tǒng)關鍵技術研究”，編號20200401125GX。（2）長春市技術創(chuàng)新中心資助項目“長春市電動汽車無線充電技術創(chuàng)新中心”，編號18CX001。（3）吉林省教育廳“十三五”科學技術研究項目“80安培半導體激光器脈沖驅動器的研發(fā)”，編號JJKH20180984KJ。