對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電過(guò)程中降低輻射方法的研究

徐振宇，李帥，陳勇，王文娜

（1.煙臺(tái)南山學(xué)院工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713；2.魯東大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

目前，電動(dòng)汽車(chē)充電方式有兩大類(lèi)：有線充電和無(wú)線充電。在私人車(chē)庫(kù)內(nèi)，有線充電方便且容易實(shí)現(xiàn)。但在公共場(chǎng)合下，有線充電操作不方便且存在一定的安全隱患，而無(wú)線充電方式相對(duì)于有線充電更加方便安全，并且可以適應(yīng)多種惡劣環(huán)境和天氣[1]。國(guó)內(nèi)外各高校及研究所對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的研究，主要集中在系統(tǒng)建模與控制、磁耦合機(jī)構(gòu)、補(bǔ)償拓?fù)洹⒖蛊颇芰σ约半姶判孤?、屏蔽等方面[2]。美國(guó)高通公司的Halo系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了3.3～20 kW的輸出功率，整機(jī)效率大于90%[3]。

應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的方式是磁耦合諧振式[4-5]。磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)利用LC振蕩電路處于諧振狀態(tài)時(shí)，振蕩電路的固有頻率與傳輸電能的頻率相一致時(shí)引起電磁共振，發(fā)生強(qiáng)磁耦合，以此實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。無(wú)論是寶馬的i8系列車(chē)型裝配的高通的Halo無(wú)線充電技術(shù)，還是汽車(chē)零部件制造商博世（Bosch）與美國(guó)Evatran公司合作推出的Plugless L2無(wú)線充電系統(tǒng)[6]，以及眾多國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電裝置的工作方式，其工作模式都是將電動(dòng)汽車(chē)停放到置于地面下的無(wú)線充電發(fā)射裝置的正上方，通過(guò)電磁感應(yīng)方式或者諧振耦合方式來(lái)進(jìn)行充電。其充電裝置模型如圖1所示。地下發(fā)射裝置的發(fā)射線圈與電動(dòng)汽車(chē)上接收裝置的接收線圈類(lèi)似于普通變壓器的原邊與副邊。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)的接收裝置與地下的發(fā)射裝置完全對(duì)準(zhǔn)的情況下，二者的互感系數(shù)最大，充電效率可達(dá)90%以上。但在電動(dòng)汽車(chē)停放的位置出現(xiàn)偏差，使充電接收端與發(fā)射端之間上下位置不能完全對(duì)準(zhǔn)的情況下，發(fā)射與接收兩線圈之間的互感系數(shù)降低，發(fā)射裝置中LC電路的電感量降低，由此導(dǎo)致LC電路的固有諧振頻率升高，偏離用于發(fā)射能量的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，使電路不再滿足諧振條件。LC振蕩電路失諧后會(huì)有諧波產(chǎn)生，充電過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)輻射。接收端與發(fā)射端之間上下位置偏差越大，輻射越強(qiáng)，充電效率越低。

圖1 無(wú)線充電裝置模型Fig.1 Wireless charging device model

司機(jī)難以將車(chē)開(kāi)到準(zhǔn)確位置，使車(chē)上的接收裝置與地下的發(fā)射裝置完全對(duì)準(zhǔn)。如何降低充電過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射，是當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電研究的重點(diǎn)問(wèn)題[7]。

本文研究了通過(guò)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)與LC振蕩電路一端的電壓信號(hào)兩者之間的相位差Δθ，判斷LC振蕩電路的失諧程度，即無(wú)線充電裝置的地下發(fā)射端與車(chē)上的接收端之間相對(duì)位置的偏離程度。當(dāng)發(fā)射與接收裝置之間出現(xiàn)一定偏離時(shí)，通過(guò)自動(dòng)增加并入LC電路中的電容來(lái)彌補(bǔ)電感量減少的方式，最大限度地使LC振蕩電路保持接近諧振狀態(tài)，減少諧波的產(chǎn)生，降低充電過(guò)程中產(chǎn)生的輻射，提高充電效率。以下從電路的設(shè)計(jì)來(lái)分析相位差Δθ的檢測(cè)原理，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證增加并入LC電路中的電容后減少諧波產(chǎn)生（降低輻射）的結(jié)果。

1 電路設(shè)計(jì)與分析

本節(jié)介紹電能發(fā)射的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路、驅(qū)動(dòng)電路、LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路及失諧電壓相移檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，如圖2所示，可供所有無(wú)線充電裝置的設(shè)計(jì)者參考。

圖2 電路原理框圖Fig.2 Circuit schematic diagram

1.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路與驅(qū)動(dòng)電路

圖2中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路包括單片機(jī)U5、與門(mén)集成電路 U1∶A，U1∶B和 D 觸發(fā)器 U2；驅(qū)動(dòng)電路包括兩個(gè)共地的場(chǎng)效應(yīng)管T1，T2。單片機(jī)輸出的PWM波（仿真時(shí)采用頻率為200 kHz、占空比為50%、振幅為5 V的矩形波），分別輸入給D觸發(fā)器U2和與門(mén)電路U1∶A，U1∶B。經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器U2二分頻，由U2的Q和腳輸出的兩路反相信號(hào)，分別與原PWM波一起輸入給與門(mén)U1∶A，U1∶B，經(jīng)過(guò)兩個(gè)與門(mén)后，轉(zhuǎn)換為兩路占空比小于等于1/4周期、頻率為100 kHz的矩形波信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用來(lái)控制大功率場(chǎng)效應(yīng)管T1，T2（仿真時(shí)采用的型號(hào)為IRF830）的導(dǎo)通與關(guān)閉，將直流電源Vcc經(jīng)過(guò)L C振蕩電路（由地下發(fā)射線圈L1與并聯(lián)的電容C組成）轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與電動(dòng)汽車(chē)在接收裝置和地下發(fā)射裝置完全對(duì)準(zhǔn)情況下的LC振蕩電路的固有頻率相同。在這種情況下由直流電源Vcc轉(zhuǎn)換成的交流信號(hào)，在經(jīng)過(guò)振蕩電路的選頻之后，基波轉(zhuǎn)換為有用的磁場(chǎng)能量，被車(chē)載的接收部分電路接收，而其他的諧波被抑制。在電動(dòng)汽車(chē)停放的位置出現(xiàn)偏差，使充電接收端與發(fā)射端之間上下位置不能完全對(duì)準(zhǔn)的情況下，LC振蕩電路的固有頻率f0升高，偏離了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，出現(xiàn)失諧現(xiàn)象，Vcc轉(zhuǎn)換成的交流信號(hào)中出現(xiàn)諧波。諧波頻率遠(yuǎn)高于車(chē)載接收電路中的LC諧振頻率（接收部分的LC諧振頻率與發(fā)射的基波頻率接近相同），當(dāng)諧波通過(guò)接收的LC電路時(shí)，所呈現(xiàn)的阻抗非常小，在LC電路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)可以忽略，即諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量不易被接收電路所吸收，而是成為電磁噪聲被輻射。

1.2 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路中電壓相移的檢測(cè)與修正

圖2中，在發(fā)射線圈L1（位于地下）與接收線圈L2（地上車(chē)載部分）對(duì)不準(zhǔn)的情況下，它們之間的互感系數(shù)減小[8]，LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路的固有頻率f0升高，與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)電路失諧現(xiàn)象，導(dǎo)致漏磁（沒(méi)有被接收線圈吸收的磁能量）程度大，電磁輻射增強(qiáng)。為了使LC并聯(lián)電路在工作時(shí)處于諧振狀態(tài)，我們需要測(cè)得電路的失諧程度，然后通過(guò)增加并聯(lián)電容對(duì)電路進(jìn)行修正

LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的阻抗幅角θ的大小反映出失諧的程度，會(huì)影響到驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)與LC振蕩電路電壓信號(hào)之間的相移。文中通過(guò)單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路電壓信號(hào)相對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相移，判斷失諧程度，然后通過(guò)接入相應(yīng)的電容進(jìn)行補(bǔ)償、修正。阻抗幅角θ可以由理論計(jì)算得出。

1.2.1 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中阻抗幅角的理論計(jì)算

圖2中，LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不處于諧振狀態(tài)時(shí)，阻抗Z可以由下式[9]得出：

式中：ω為輸入并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的頻率，即圖2電路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率；ω0為發(fā)射端振蕩電路的固有頻率，隨發(fā)射與接收兩裝置對(duì)不準(zhǔn)的狀態(tài)變化而變化；C為振蕩電路的總電容；L為振蕩電路的總電感，包括接收端對(duì)發(fā)射端所產(chǎn)生的互感；r為電感L的內(nèi)阻；R0為諧振阻抗；Q為振蕩電路的品質(zhì)因數(shù)。

由式（1）得出阻抗幅角θ的計(jì)算式：

阻抗幅角θ為0時(shí)，電路處于諧振狀態(tài)。根據(jù)θ的大小，可以判斷出電路的失諧程度，即充電發(fā)射端與接收端的對(duì)不準(zhǔn)程度。進(jìn)而根據(jù)不同的失諧程度來(lái)進(jìn)行修正，保證電路接近處于諧振狀態(tài)，降低充電過(guò)程中產(chǎn)生的輻射，減少在充電過(guò)程中能量的損耗，提高充電效率。

1.2.2 LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路中電壓信號(hào)相移的檢測(cè)與失諧補(bǔ)償

圖2中，為了使LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)電路保持在諧振狀態(tài)，我們需要測(cè)得地下發(fā)射部分與車(chē)載接收部分對(duì)不準(zhǔn)的程度，即振蕩電路的失諧程度，并根據(jù)不同狀態(tài)下的失諧程度（漏磁程度）來(lái)改變電路中電容（C1-1，C1-2，C2-1，C2-2，…，Cn-1，Cn-2等）的接入量，使電路接近保持在諧振狀態(tài)。失諧程度由θ的大小所決定。θ的大小與驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路的輸出端（圖2中B點(diǎn)）電壓信號(hào)與LC振蕩電路一端的電壓信號(hào)（圖2中F點(diǎn)）之間的相位差Δθ相關(guān)。Δθ與上述并聯(lián)諧振電路的阻抗幅角θ并不相同，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)出Δθ與θ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即Δθ與發(fā)射端和接收端之間對(duì)不準(zhǔn)程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2中，B點(diǎn)的電壓信號(hào)直接反饋給單片機(jī)；F點(diǎn)的電壓信號(hào)由R1，R2分壓后，再經(jīng)過(guò)電壓跟隨器 U3：A及低通濾波器（U3∶B，R3，R4，R5，C9，C10等組成）濾除諧波得到基波信號(hào)，該基波信號(hào)分為兩路信號(hào)進(jìn)行傳輸，一路經(jīng)過(guò)電壓比較電路（U4：A，R6，R7，R8，R9，C11等組成）后形成矩形波信號(hào)（圖2中G點(diǎn)的電壓信號(hào)）傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)U5，由單片機(jī)計(jì)算出B，G兩點(diǎn)信號(hào)的相位差Δθ的大小。在實(shí)際應(yīng)用前，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同失諧程度（充電裝置發(fā)射端與接收端上下位置的偏離程度）所對(duì)應(yīng)的電壓相位差Δθ1，Δθ2…與修正其所需要并入的電容量二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將這組對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)存入單片機(jī)EEPROM中。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電壓相位差檢測(cè)電路檢測(cè)出的Δθ與Δθ1，Δθ2…作比較，得出電路的失諧程度，再通過(guò)并入相應(yīng)的電容使振蕩電路盡量保持在諧振狀態(tài)。

另外，低通濾波器輸出基波信號(hào)的另一路經(jīng)過(guò)電壓跟隨器 U4∶B及檢波電路（R10，R11，C12，D1等組成）之后，輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端口，由單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部的程序讀取后得知原邊線圈輸出電壓的大小，由此判斷出副邊接收端所獲得的充電能力的大小。單片機(jī)可以及時(shí)修改PWM波的占空比，使副邊接收端能獲得合適的充電能力。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

地下發(fā)射部分線圈（原邊）與車(chē)載接收部分線圈（副邊）對(duì)不準(zhǔn)產(chǎn)生偏離時(shí)，兩線圈之間的互感系數(shù)減小，原邊的LC電路中的電感量減小，固有頻率升高，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率低于電路的固有頻率而失諧，因而產(chǎn)生諧波，造成電磁輻射，形成漏磁現(xiàn)象。偏離越大，失諧越嚴(yán)重，產(chǎn)生的漏磁程度越高。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)射線圈的電感量與需要發(fā)射的功率相關(guān)，對(duì)于大功率的充電裝置，發(fā)射線圈的電感量要小。在設(shè)計(jì)無(wú)線充電裝置時(shí)，發(fā)射與接收間的互感系數(shù)是無(wú)法計(jì)算的，可選擇數(shù)個(gè)不同的對(duì)不準(zhǔn)的實(shí)際的狀態(tài)，測(cè)試出具體型號(hào)裝置在該狀態(tài)下的互感系數(shù)，即測(cè)試出Δθ1，Δθ2，…，Δθn及需要并聯(lián)的電容量C1-1，C1-2，C2-1，C2-2，…，Cn-1，Cn-2。下面針對(duì)圖 2 原理，以一個(gè)小功率的無(wú)線充電模型通過(guò)Multisim仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真時(shí)原邊線圈（模擬發(fā)射端）匝數(shù)為20，并聯(lián)電容為250 nF，副邊線圈（模擬接收端）匝數(shù)為20。通過(guò)改變?cè)?、副邊的互感系?shù)，選擇了漏磁程度在0%，5%，50%時(shí)的幾種情況，來(lái)模擬發(fā)射端與接收端對(duì)不準(zhǔn)時(shí)，有0%，5%，50%的電能形成諧波產(chǎn)生電磁輻射的狀態(tài)。圖2中B點(diǎn)及R1兩端（可代替LC電路兩端）在不同漏磁程度下的電壓波形圖如圖3所示。從圖中可以看出，隨著漏磁程度的升高，原邊LC電路兩端電壓的相移增大，即Δθ增大，波形中的諧波成分增多，電磁輻射會(huì)增強(qiáng)。

圖3 不同漏磁程度下B點(diǎn)與R1兩端的電壓波形圖Fig.3 Voltage waveforms of point B and R1 under different magnetic flux leakage

圖4中列出了在無(wú)漏磁、15%的漏磁（模擬發(fā)射端與接收端的一個(gè)相對(duì)狀態(tài)）及15%的漏磁情況下閉合相應(yīng)的開(kāi)關(guān)并入45 nF的電容進(jìn)行補(bǔ)償修正后的B點(diǎn)及R1兩端的電壓波形圖。

通過(guò)對(duì)比圖4a～圖4c可以看出，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償修正之后得到的發(fā)射端LC電路電壓波形與無(wú)漏磁狀態(tài)下的電壓波形幾乎相同?？梢缘贸觯娐吩诮?jīng)過(guò)補(bǔ)償修正之后，振蕩電路接近諧振狀態(tài)，基波得到保留，產(chǎn)生較好的正弦波用于傳輸電能，諧波得到抑制，降低充電過(guò)程中產(chǎn)生的輻射。

圖4 修正前后的電壓波形圖Fig.4 Voltage waveforms before and after correction

實(shí)際電路在不同漏磁情況下需要并入多大的電容才能獲得補(bǔ)償修正，可通過(guò)試驗(yàn)得出。表1給出了通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)得出的在不同漏磁程度下調(diào)整到諧振狀態(tài)，需要增加并聯(lián)的電容量。在無(wú)漏磁程度下并聯(lián)的電容為250 nF。

表1 不同漏磁程度下保持諧振狀態(tài)需要并聯(lián)的電容量Tab.1 Parallel capacitance is required to maintain resonance at different leakage levels

3 程序設(shè)計(jì)

圖2中，單片機(jī)接收到充電命令后，開(kāi)始啟動(dòng)充電。此時(shí)，電容的接入情況是在完全對(duì)準(zhǔn)情況下的電容C。單片機(jī)開(kāi)始檢測(cè)B點(diǎn)與F點(diǎn)之間的電壓相位差來(lái)判斷失諧程度，如果不處于諧振狀態(tài)，改變電容的接入量，使諧振電路接近諧振狀態(tài)。如果已經(jīng)接近諧振狀態(tài)，單片機(jī)檢測(cè)經(jīng)過(guò)檢波得到的輸出電壓的大小。如果輸出電壓過(guò)小，調(diào)整PWM波的占空比，提高原邊充電電壓（不能過(guò)高）；如果輸出電壓過(guò)高，調(diào)整PWM波的占空比[10]，降低輸出電壓。如果電壓合適，單片機(jī)判斷是否接收到停止充電的命令。如果沒(méi)有收到，循環(huán)上述工作，繼續(xù)充電過(guò)程；如果收到停止充電的命令，停止充電。

圖2中單片機(jī)的程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)無(wú)線充電過(guò)程程序流程圖Fig.5 Procedure flow chart of wireless charging process for single chip computer

4 結(jié)論

通過(guò)上述仿真實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，在不同的失諧程度下，通過(guò)控制電容并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入相應(yīng)大小的電容進(jìn)行修正后，諧波得到抑制，使得電磁輻射降低，產(chǎn)生較好的正弦波用于傳輸電能。這說(shuō)明了在設(shè)計(jì)無(wú)線充電裝置時(shí)，可選擇數(shù)個(gè)不同的對(duì)不準(zhǔn)的實(shí)際的狀態(tài)，測(cè)試出對(duì)應(yīng)當(dāng)?shù)摩う?，Δθ2，…，Δθn及需要并聯(lián)的電容量C1-1，C1-2，C2-1，C2-2，…，Cn-1，Cn-2作為電路的參數(shù)。在應(yīng)用中，停車(chē)位置出現(xiàn)偏差，即發(fā)射裝置所輸出的電磁能量存在較多的漏磁時(shí)，經(jīng)過(guò)電路自動(dòng)修正之后，是可以抑制LC電路中的諧波，降低充電過(guò)程中產(chǎn)生的電磁輻射，減少充電過(guò)程中能量的損耗，提高充電效率。