電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究

郭進(jìn)國，魯民巧

（河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺(tái) 054035）

一、無線充電的分類及磁共振式充電原理

1.無線充電的分類

按照無線充電的工作原理來劃分,無線充電大致可以分為三種類型：它們分別是磁輻射式、磁感應(yīng)式和磁共振式。三種常用無線充電方式的技術(shù)特性如表1 所示。

表1 三種常用無線充電方式的技術(shù)特性對(duì)比

通過對(duì)表1 的分析，結(jié)合電動(dòng)汽車無線充電所需的高功率、高效率、適中距離和高可靠性的充電特性，本文采用磁共振式無線充電系統(tǒng)作為研究對(duì)象。

2.磁共振式無線充電的原理

磁共振式無線充電是以電磁場為能量的傳播媒介，通過發(fā)射端和接收端組成的強(qiáng)電磁耦合機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電能的無線傳遞。其工作原理如圖1 所示。

圖1 磁共振式無線充電的工作原理簡圖

眾所周知，對(duì)于一個(gè)普通的耦合機(jī)構(gòu)而言，如果發(fā)射端和接收端的諧振頻率不一致，發(fā)射端和接收端一起只能組成一個(gè)松耦合機(jī)構(gòu)，松耦合機(jī)構(gòu)的電能傳輸功率和傳輸效率都很低，不適合用于電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)需要一個(gè)強(qiáng)電磁耦合機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電能的快速、高效傳輸。

電動(dòng)汽車磁共振式無線充電系統(tǒng)由地面發(fā)射端和車輛接收端兩部分構(gòu)成。在地面發(fā)射端，工頻整流器把220V、50Hz 的工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后高頻逆變器將直流電逆變成無線充電系統(tǒng)工作所需頻率的交流電，并以此來激勵(lì)地面發(fā)射端的發(fā)射線圈，地面發(fā)射端一側(cè)補(bǔ)償電路的作用是調(diào)整發(fā)射線圈的諧振頻率，使其與高頻逆變器的驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)到一致。車輛接收端的接收線圈通過電磁互感，在接收線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生電能。車載接收端一側(cè)補(bǔ)償電路的作用是使接收端的諧振頻率與發(fā)射端保持一致，高頻整流器將接收線圈中感應(yīng)出的交流電轉(zhuǎn)換為無線充電所需的直流電，從而給電動(dòng)汽車的電池組充電。通過這種工作方式，發(fā)射端和接收端共同組成一個(gè)強(qiáng)電磁耦合機(jī)構(gòu)，這個(gè)強(qiáng)電磁耦合機(jī)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)電能的快速、高效無線傳輸。

磁共振式無線充電技術(shù)有著傳輸距離合適、傳輸功率和傳輸效率等級(jí)高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，最適合電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的使用。

二、電動(dòng)汽車磁共振式無線充電系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和仿真建模

磁共振式無線電能傳輸系統(tǒng)主要有以下三部分構(gòu)成：（1）電磁耦合機(jī)構(gòu)；（2）補(bǔ)償電路；（3）開關(guān)電源控制器及控制方法。

電磁耦合機(jī)構(gòu)主要研究耦合線圈的形狀、匝數(shù)、材料和排列設(shè)計(jì)等，它是實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?shù)年P(guān)鍵機(jī)構(gòu)，它決定著無線充電系統(tǒng)傳輸功率的大小和傳輸效率的高低。補(bǔ)償電路可分為基本補(bǔ)償電路和高階補(bǔ)償電路兩類?；狙a(bǔ)償電路只需要一只電容器就可以補(bǔ)償?shù)赳詈暇€圈的自感，并使地面發(fā)射端和車輛接收端構(gòu)成的諧振系統(tǒng)具有相同的工作頻率，根據(jù)耦合線圈和電容的連接形式不同，可以組合成四種基本的補(bǔ)償電路：（1）串-串（Series-Series，簡稱SS）；（2）串-并（Series-Parallel，簡稱SP）；（3）并-串（Parallel-Series，簡稱PS）；（4）并-并（Parallel-Parallel，簡稱PP）。目前，已有許多科研人員對(duì)于四種基本補(bǔ)償電路的功率、效率、電壓和電流增益、電壓輸出特性和抵抗線圈偏移等特性進(jìn)行了深入研究，四種基本補(bǔ)償電路都存在著恒壓或恒流輸出特性不足的問題。為了克服以上問題，人們提出了許多不同形式的高階補(bǔ)償電路。本文也提出了一種適合中、小型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)使用的雙邊LCC型補(bǔ)償電路。

開關(guān)電源控制器主要包括高頻逆變器和整流器兩部分，通過選用驅(qū)動(dòng)頻率合適的高頻逆變器以及橋式整流器，結(jié)合優(yōu)秀的控制方法，能夠解決系統(tǒng)的阻抗和工作狀態(tài)之間的關(guān)系問題，解決系統(tǒng)輸出特性與負(fù)載阻抗的關(guān)聯(lián)問題，力爭實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸出特性和負(fù)載阻抗無關(guān)。

本文提出了一種基于單線圈雙邊LCC 型補(bǔ)償電路的無線充電系統(tǒng)，其基本電路設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)電路圖

這種單線圈雙邊LCC 型補(bǔ)償電路無線充電系統(tǒng)主要由交流電源、工頻整流器、高頻逆變器、諧振系統(tǒng)、高頻整流器和負(fù)載電阻等組成。

交流充電電源來自于220V、50Hz 的工頻交流電，D1～D4組成的整流二極管組把工頻交流電整流成直流電，Q1～Q4組成高頻逆變器，高頻逆變器把直流電逆變成諧振系統(tǒng)工作所需的高頻交流電，U1為高頻逆變器的輸出電壓。諧振系統(tǒng)包含發(fā)射端諧振系統(tǒng)和接收端諧振系統(tǒng)兩部分，發(fā)射端諧振系統(tǒng)由發(fā)射線圈L1和補(bǔ)償電容C1、C2組成，接收端諧振系統(tǒng)由接收線圈L2和補(bǔ)償電容C3、C4組成，M 為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感，當(dāng)高頻逆變器的驅(qū)動(dòng)頻率與系統(tǒng)的諧振頻率一致時(shí)，發(fā)射端呈現(xiàn)純阻性阻抗，發(fā)射線圈受到高頻逆變器輸出電流的激勵(lì)在其周邊產(chǎn)生磁場，接收端的接收線圈處在該磁場中，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這樣電網(wǎng)電能就能從發(fā)射端無線傳輸?shù)搅私邮斩?，感?yīng)電壓U2通過D5～D8組成的高頻整流器變成直流電，再通過濾波電容C5濾除雜波，進(jìn)而提供穩(wěn)定的直流電給電池組供電。

三、單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)的仿真分析

為了分析線圈的耦合系數(shù)和負(fù)載阻值對(duì)單線圈雙邊LCC 無線充電系統(tǒng)傳輸功率和傳輸效率的影響，我們利用MATLAB 軟件中的SIMULINK 仿真平臺(tái)，建立了單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析。表2 為單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)。

表2 單線圈 雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仿真參數(shù)

通過MATLAB 軟件提供的SIMULINK 仿真模塊進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)耦合線圈的電磁耦合系數(shù)和系統(tǒng)的負(fù)載阻值對(duì)電能無線傳輸?shù)墓β屎托视兄匾挠绊?。其中電磁耦合系?shù)對(duì)無線傳輸功率和傳輸效率的影響曲線如圖3 和圖4 所示，負(fù)載阻值對(duì)無線傳輸功率和傳輸效率的影響曲線如圖5 和圖6 所示。

圖3 電磁耦合系數(shù)對(duì)傳輸功率的影響

圖4 電磁耦合系數(shù)對(duì)傳輸效率的影響

圖5 負(fù)載阻值對(duì)傳輸功率的影響

圖6 負(fù)載阻值對(duì)傳輸效率的影響

通過圖3 所示的曲線我們可以看出，隨著耦合線圈電磁耦合系數(shù)的增加，傳輸功率先是快速上升，然后到達(dá)最大值后緩慢下降，下降的速度相比之前上升的速度明顯較小。當(dāng)線圈的電磁耦合系數(shù)位于0.2附近時(shí)，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)可以獲得較高的傳輸功率。

從圖4 我們可以看出，隨著線圈電磁耦合系數(shù)不斷增加，整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率快速上漲，并在到達(dá)一定的數(shù)值后，系統(tǒng)的傳輸效率開始趨于穩(wěn)定。當(dāng)線圈的電磁耦合系數(shù)高于0.2 時(shí)，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)將獲得80%以上的電能傳輸效率。

通過圖5 所示的曲線我們可以看出，負(fù)載阻值在大于85Ω時(shí)，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)最大傳輸功率可以達(dá)到3 kW 以上，目前中、小型電動(dòng)汽車的電池容量在18 kWh 左右，而要保證其充電時(shí)間在6 小時(shí)以內(nèi)，其充電功率應(yīng)大于3 kW，因此對(duì)于中、小型電動(dòng)汽車無線充電而言，單線圈雙邊LCC型無線充電系統(tǒng)能夠滿足它們的日常無線充電要求。

從圖6 我們可以看出，當(dāng)負(fù)載阻值在60 Ω～100 Ω之間變化時(shí)，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統(tǒng)都能達(dá)到80%以上的電能傳輸效率，能夠滿足電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)對(duì)傳輸效率的一般要求。

四、結(jié)論

項(xiàng)目組設(shè)計(jì)的單線圈雙邊LCC 無線充電系統(tǒng)的電磁耦合系數(shù)在0.2 附近，負(fù)載阻值達(dá)到85Ω以上時(shí)，設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)都能達(dá)到3 KW 以上的充電功率和80%以上的充電效率，滿足了大部分中、小型電動(dòng)汽車日常無線充電的需求。