新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

(湖北科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,武漢 430000)

0 引言

新能源汽車作為傳統(tǒng)燃油汽車的替代品,逐漸成為推動(dòng)綠色出行的重要選擇。但是,傳統(tǒng)新能源汽車充電技術(shù)存在使用不便和充電效率較低等問(wèn)題。隨著電動(dòng)汽車的普及,如何高效、便捷地為新能源汽車提供電能成為研究重點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)有線充電系統(tǒng)的插頭和充電口容易因頻繁插拔而磨損,甚至可能引發(fā)電擊或火災(zāi)等危險(xiǎn)[2-3]。無(wú)線充電技術(shù)通過(guò)電磁場(chǎng)傳輸能量,因此新能源汽車在充電時(shí)無(wú)需進(jìn)行物理接觸,避免了插拔電纜的煩擾,為用戶提供了更加便捷和簡(jiǎn)單的充電體驗(yàn)。此外,無(wú)線充電系統(tǒng)的電氣部件在充電過(guò)程中不需要直接暴露在外部環(huán)境,降低了電氣接觸導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)[4]。

本文對(duì)新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述,并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)本文研究結(jié)果有望提高新能源汽車充電效率,進(jìn)一步增加其行駛里程,推動(dòng)新能源汽車的普及,為環(huán)保交通方式的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

1 新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)(Wireless Power Transfer,WPT)中,充電電源電流首先通過(guò)逆變器進(jìn)行逆變,將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電流,經(jīng)過(guò)逆變后的高頻交流電流進(jìn)入無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),也稱無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)[5]。

1.1 磁耦合結(jié)構(gòu)

WPT磁耦合結(jié)構(gòu)是一種在無(wú)線充電系統(tǒng)中常用的技術(shù),用于實(shí)現(xiàn)電能的非接觸性傳輸,主要結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分:發(fā)射端(地面端)和接收端(車輛端)(圖1)[6]。

圖1 新能源汽車WPT系統(tǒng)工作原理

在WPT磁耦合結(jié)構(gòu)中,發(fā)射端包含一個(gè)高頻發(fā)射線圈L1,通過(guò)高頻電源(如逆變器)將電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電能,高頻發(fā)射線圈L1產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的高頻磁場(chǎng),也稱為共振磁場(chǎng)。接收端通常內(nèi)部嵌入一個(gè)與發(fā)射端線圈相匹配的共振線圈L2,當(dāng)新能源汽車?？吭诔潆姌痘虺潆妷|上時(shí),接收端的共振線圈L2會(huì)吸收發(fā)射端產(chǎn)生的共振磁場(chǎng)中的電能。L1和L2之間的能量傳輸通過(guò)互感系數(shù)(M)來(lái)實(shí)現(xiàn),互感系數(shù)表示兩個(gè)線圈之間的耦合程度。當(dāng)兩個(gè)線圈之間的互感系數(shù)達(dá)到最佳匹配時(shí),能量傳輸效率將最大化。

WPT磁耦合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)較高的能量傳輸效率和非接觸性傳輸,使新能源汽車的充電過(guò)程更加便捷、高效和安全[7]。通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化,WPT磁耦合結(jié)構(gòu)將為新能源汽車的充電技術(shù)發(fā)展提供更加可靠和先進(jìn)的解決方案,推動(dòng)新能源汽車的普及和推廣。

1.2 WPT 磁耦合結(jié)構(gòu)

在電磁場(chǎng)感應(yīng)耦合結(jié)構(gòu)中,發(fā)射端和接收端分別裝有共振線圈(L1和L2)。當(dāng)發(fā)射端通電時(shí),L1產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng),這個(gè)變化的磁場(chǎng)會(huì)在接收端的L2中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),從而產(chǎn)生電流。通過(guò)電磁感應(yīng)的方式,電能在發(fā)射端和接收端之間進(jìn)行傳輸。磁耦合能量傳輸方式的作用距離計(jì)算公式如式(1)所示[8]

(1)

式中λ—為波長(zhǎng),m;

c—為光速,m/s;

f—為線圈諧振頻率,Hz。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)要求,設(shè)計(jì)應(yīng)符合MF-WPT2(Magnetic Field Wireless Power Transfer 2)分類等級(jí)的無(wú)線充電系統(tǒng),工作頻率在85 kHz左右。根據(jù)這一要求,該無(wú)線充電系統(tǒng)的能量傳輸距離約為0.64 m。通過(guò)在85 kHz左右的頻率下運(yùn)行,該無(wú)線充電系統(tǒng)能在0.56 m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸,適合在充電樁或充電點(diǎn)的周圍提供便捷的充電服務(wù),同時(shí)也避免了不必要的電磁輻射和能量損耗。

1.3 WPT 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

WPT補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在無(wú)線充電系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù),用于優(yōu)化電能傳輸效率和穩(wěn)定性。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通常用于解決電能傳輸中可能出現(xiàn)的功率損耗、傳輸距離受限等問(wèn)題。WPT補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括單耦合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

1.3.1 單耦合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

單耦合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一種常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),用于解決無(wú)線能量傳輸中因電路參數(shù)不匹配而導(dǎo)致的能量損失和效率下降的問(wèn)題?；A(chǔ)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)類型如下。

1)SS耦合。在SS耦合(Series-Series Coupling)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中,發(fā)射端和接收端的共振線圈(L1和L2)都與電容(C1和C2)串聯(lián)連接。當(dāng)發(fā)射端通電時(shí),諧振電路可以使L1和C1在特定頻率下產(chǎn)生諧振,從而形成強(qiáng)大的諧振磁場(chǎng)。同時(shí),在接收端,共振線圈L2和電容C2也通過(guò)串聯(lián)連接,形成一個(gè)相匹配的諧振電路。當(dāng)接收端的諧振電路頻率與發(fā)射端的諧振電路頻率匹配時(shí),接收端的共振線圈L2會(huì)吸收發(fā)射端產(chǎn)生的諧振磁場(chǎng)中的能量。

2)PS耦合(Parallel-Series Coupling)。在PS耦合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,發(fā)射端的共振線圈與接收端的共振線圈分別與電容并聯(lián)和串聯(lián)連接,該結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化傳輸效率,減少能量損失,并增加傳輸距離,進(jìn)而提高能量傳輸效率和穩(wěn)定性。

3)SP耦合(Series-Parallel Coupling)。SP耦合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,發(fā)射端的共振線圈與接收端的共振線圈分別與電容串聯(lián)和并聯(lián)連接。

4)PP耦合(Parallel-Parallel Coupling)。在PP耦合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,發(fā)射端的共振線圈和接收端的共振線圈均與電容并聯(lián)連接,可以實(shí)現(xiàn)較大的傳輸功率和較短的傳輸距離。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整電容和線圈的數(shù)值,可以優(yōu)化能量傳輸效率和穩(wěn)定性。

1.3.2 復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是在無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)中常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),結(jié)合多種耦合方式的優(yōu)勢(shì),用于優(yōu)化無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率和穩(wěn)定性。復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)主要包括LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、LCC-S補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、LCL-LCC補(bǔ)償結(jié)構(gòu)等。本文以雙LCC結(jié)構(gòu)為例開展分析,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙LCC復(fù)合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

2 新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 逆變主電路的設(shè)計(jì)

新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的逆變主電路負(fù)責(zé)將直流電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電能,實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸。在本文選擇合適的逆變器類型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使其能將輸入的220 V和50 Hz的交流電能逆變?yōu)檩敵?00 V和85 Hz的高頻交流電能。

2.1.1 逆變器輸入功率

主電路通過(guò)將直流電能轉(zhuǎn)換為高頻交流電能,實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量傳輸。主電路的結(jié)構(gòu)主要包括逆變器、電源、變壓器等。本文采用全橋式逆變器進(jìn)行無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì),逆變器的輸入電壓為U1=400 V,計(jì)算公式如式(2)所示

(2)

式中Pin—為輸入功率,kW;

Pout—為輸出功率,kW;

η—為轉(zhuǎn)換效率,%。

其中,Pout=6.6 kW,η=90%=0.9,代入式(2),計(jì)算得Pin=7.33 kW。

2.1.2 功率開關(guān)管選型

功率開關(guān)管在逆變器中負(fù)責(zé)控制電能的開關(guān)和調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)直流電能向交流電能的轉(zhuǎn)換。常見的逆變器開關(guān)主要包括MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)、SiC MOSFET(碳化硅MOSFET)和GaN(氮化鎵)器件。在本研究設(shè)計(jì)中,為獲得可靠的新能源汽車充電系統(tǒng)輸出功率和頻率,可以選用MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)或IGBT(絕緣柵雙極性晶體管),進(jìn)一步考慮到運(yùn)行成本,本文選擇MOSFET。MOSFET作為逆變器中常見的功率開關(guān)管,具有快速的導(dǎo)通和關(guān)斷特性、高效率、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn),而IGBT相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格較高。此外,IGBT在高功率和高頻率應(yīng)用中的散熱要求也相對(duì)更高,需要更強(qiáng)大的散熱設(shè)計(jì)。

2.2 控制電路的設(shè)計(jì)

在新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)中,控制電路的設(shè)計(jì)主要功能是對(duì)逆變器和功率開關(guān)管進(jìn)行精確的控制,實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的無(wú)線能量傳輸。通常采用功率因數(shù)校正電路來(lái)優(yōu)化逆變器的輸入電流波形,提高系統(tǒng)的功率因數(shù),降低諧波污染,從而提高系統(tǒng)效率和性能。在電路設(shè)計(jì)中,本文采用EG8010芯片對(duì)逆變電路進(jìn)行功率校正。

EG8010內(nèi)部集成了PWM控制器和模擬前端電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開關(guān)管(如MOSFET或IGBT)的精確控制,從而實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定的輸出波形,其電路引腳如圖3所示。

圖3 EG8010引腳結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 電源電路的設(shè)計(jì)

電源電路可以為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電源,確保逆變器和控制電路的正常運(yùn)行。通?？梢灾苯邮褂秒娫纯刂齐娐饭δ堋１疚牟捎脝纹瑱C(jī)同步整流降壓穩(wěn)壓器,將輸入電壓穩(wěn)定降壓為穩(wěn)定的輸出電壓,同時(shí)通過(guò)同步整流技術(shù)減少能量損耗,提高系統(tǒng)的效率,為整個(gè)電路提供3A的負(fù)載能力,電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 電源電路結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試與分析

本文將25 V模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入400 V仿真實(shí)驗(yàn)中,對(duì)本研究設(shè)計(jì)的新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸效率進(jìn)行分析,傳輸效率越高,能量損失越少,系統(tǒng)的充電效率和性能也越優(yōu)秀,傳輸效率公式如式(3)所示

(3)

試驗(yàn)結(jié)果如表1結(jié)果表明,所示,傳輸效率在83.5%～84.1%之間波動(dòng),系統(tǒng)在傳輸效率方面表現(xiàn)出良好的性能,表示在不同功率水平下,傳輸效率相對(duì)穩(wěn)定,但存在一些波動(dòng),可能受到系統(tǒng)配置、環(huán)境條件等影響。

表1 新能源汽車系統(tǒng)傳效率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于新能源汽車無(wú)線充電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及工作原理,設(shè)計(jì)了一種復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的分析,得出以下結(jié)論:

1)復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。復(fù)合性補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一種常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),結(jié)合多種耦合方式的優(yōu)勢(shì),可以優(yōu)化能量傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。其中,SS耦合、PS耦合、SP耦合和PP耦合等補(bǔ)償結(jié)構(gòu)在無(wú)線充電系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要的作用。

2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果。本文將25 V模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入400 V仿真實(shí)驗(yàn)中,結(jié)果顯示傳輸效率在83.5%～84.1%之間波動(dòng),表明該系統(tǒng)在電壓傳輸方面表現(xiàn)良好,能夠高效地傳輸能量。

3)新能源無(wú)線充電系統(tǒng)傳輸效率。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出,新能源無(wú)線充電系統(tǒng)的電壓傳輸效率約為83.9%,表明該系統(tǒng)在電壓傳輸方面表現(xiàn)良好,能夠高效地傳輸能量,為無(wú)線充電技術(shù)的應(yīng)用提供了有力支持。