電動汽車磁耦合諧振式無線充電系統研究

方楚良，沈錦飛

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

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電動汽車磁耦合諧振式無線充電系統研究

方楚良，沈錦飛

(江南大學 物聯網工程學院，江蘇 無錫 214122)

摘要:電動汽車無線充電是一個熱門研究方向。依據磁耦合諧振式無線電能傳輸原理，設計了一種磁耦合諧振式無線充電裝置，對傳輸功率以及傳輸效率影響因素進行了分析，并給出了系統設計。最后制作了一臺功率為1 kW，磁耦合諧振頻率70 kHz的電動汽車無線充電實驗裝置。樣機實驗結果表明系統穩定，運行效果理想。

關鍵詞：電動汽車；磁耦合諧振；等效模型；無線充電

0　引　言

電動汽車具有較低的環境污染，同時可以較好地解決化石能源短缺的問題，因此是低碳經濟中非常重要的一個環節。電動汽車的充電一直是研究熱點，隨著電動汽車的發展，便捷多樣的充電方式越來越受歡迎。目前電動汽車多采用有線充電式，充電時間較長，占用空間大，同時頻繁拔插電源電線既不安全，也容易造成設備老化磨損[1]。而無線電能傳輸技術使用方便、安全，設備積塵較少，且無接觸損耗、機械磨損和相應的維護問題，因此無線充電技術在電動汽車的應用受到越來越多的關注。

現階段無線電能傳輸主要有三種技術：感應耦合技術、磁耦合諧振技術，以及遠場輻射技術。其中感應耦合技術原理簡單，實現容易，但是傳輸距離很短，線圈位移以及頻率變化對傳輸效率的影響較大。遠場輻射技術通過激光束方式傳播電能，目前的研究依然處在理論階段，同時這種無線電能傳播方式不適用于電動汽車無線充電[2]。而磁耦合諧振式無線充電技術是中等距離的無線電能傳輸技術，在空間相對位置下能量損耗小，且傳輸穩定，同時電磁輻射對人體的影響極小[3]，因此電動汽車采用磁耦合諧振式無線充電技術是一個高效率、安全、穩定的選擇。

1　磁耦合諧振式無線充電等效模型分析

根據磁耦合諧振式無線電能傳輸相關理論，傳輸系統由發射線圈、接收線圈以及各自的諧振電容串聯組成兩側的諧振電路，且具有相同的諧振頻率，在波長范圍內，通過磁耦合，進行能量傳輸[4，5]。傳輸系統等效模型如圖1所示。其中L1為發射線圈電感，L2為接收線圈電感，C1、C2為兩側對應的諧振電容，M為兩線圈的互感，R1、R2為發射線圈和接收線圈的等效電阻，RL為負載等效電阻。

圖1 傳輸系統等效模型

由基爾霍夫電壓定律(KVL)對等效模型列方程可得：

(1)

式中，

(2)

由式(1)及式(2)求得：

(3)

據此可計算發射端阻抗為：

(4)

根據式(3)的結果求得電源功率PE與負載功率PL為：

(5)

由式(5)求得系統傳輸效率為

(6)

由式(5)及式(6)可看出，當線圈參數以及諧振電容確定后，系統傳輸功率以及傳輸效率只與ω以及d有關，即只與頻率與線圈距離有關，與發射線圈和接收線圈的橫向錯位無關[6]。因此，在無線電能傳輸中，應使電路始終處于諧振狀態，使其在發射線圈和接收線圈具有橫向錯位時可保持相對最優傳輸功率。

2　磁耦合諧振式無線充電系統設計

電動汽車磁耦合諧振式無線充電系統構成如圖2，一般采用車底充電，即發射端安裝于地下，發射線圈水平放置于地面，接收端安裝于電動汽車上，接收線圈置于車底。發射線圈與接收線圈距離為d，二者橫向錯位距離為l。輸入電源經過能量變換通過發射線圈，使發射線圈產生諧振，從而與接收線圈產生磁場耦合，實現電能傳輸。然后在接收端通過能量調理將電能傳輸至超級電容儲能。

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統框圖如圖3，系統分為主電路和控制電路兩部分。

圖2 電動汽車無線充電系統框圖

圖3 系統框圖

在控制電路部分，功率調節采用直流斬波調功，調節斬波器開關管的導通時間就可得到介于0～Ut之間的電壓。發射端諧振回路電流I1通過反饋電流檢測電路變換成同頻率的方波電壓，經頻率跟蹤電路產生頻率跟蹤信號，輸入PWM信號產生電路，產生所需諧振頻率的PWM控制信號，經驅動電路控制全橋逆變電路的開關管。同時為防止全橋逆變電路上下橋臂直通短路，在上下橋臂的驅動信號間保留了很小的死區，因此發射端電路工作在感性狀態，即電壓U1超前電流I1，實現零電壓開通及小電流關斷。

3　實驗與分析

設計并制作了一臺功率1 kW的小型電動車磁耦合諧振式充電裝置，如圖4所示。發射線圈與接收線圈均為30匝，半徑為0.2 m，背面采用正方形導磁片拼接，導磁片邊長為0.1 m，諧振補償電容C1=C2=30 nF，發射端與接收端傳輸距離為d=0.25 m，小車采用多個超級電容串聯進行儲能。在小車上安裝傳感器使其在軌道上做往返勻速運動，小車上的數碼管顯示超級電容的儲能電壓。系統傳輸頻率為69.4 kHz。當發射線圈與接收線圈處于對準位置時，即二者橫向錯位l=0時，傳輸功率取得最大值，為0.92 kW，此時發射端輸出功率1.08 kW，傳輸效率為85.18%。

圖4 小型電動汽車磁耦合諧振式充電裝置

發射線圈和接收線圈橫向錯位l=10 cm時，發射端輸出電壓U1、輸出電流I1，以及接收端輸出電壓U2、輸出電流I2波形如圖5所示。

圖5 發射線圈及接收線圈電壓電流波形

由波形圖可見發射端輸出電壓近似方波，發射端接收端輸出電流近似正弦波，發射端的電壓U1超前電流I1，電路工作于感性負載狀態。

4　結束語

本文通過對磁耦合諧振式無線電能傳輸原理及模型分析，設計了充電系統，并給出了工作過程，當合理選擇系統參數時，電能傳輸的效果較好。由實驗可見，所設計的電動汽車磁耦合諧振式無線充電器工作穩定，具有一定的實際應用價值。

參考文獻：

[1]王振亞，王學梅，張波，等. 電動汽車無線充電技術的研究進展[J]. 電源學報，2014，(3)：27-32.

[2]楊慶新，陳海燕，徐桂芝，等. 無接觸電能傳輸技術的研究進展[J]. 電工技術學報，2010，25(7)：6-13.

[3]曹玲玲, 陳乾宏, 任小永，等. 電動汽車高效率無線充電技術的研究進展[J]. 電工技術學報，2012，27(8)：1-13.

[4]André Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J].Science, 2007, (317)：83-86.

[5]Qiaowei Yuan, Qiang Chen, Long Li,etal. Numerical Analysis on Transmission Efficiency of Evanescent Resonant Coupling Wireless Power Transfer System[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，2010，58(5)：1751-1758.

[6]Junhua Wang , Jiangui Li , S L Ho,etal. Lateral and Angular Misalignments Analysis of a New PCB Circular Spiral Resonant Wireless Charger[J]. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,2012, 48(11):4522-4525.

[7]Takehiro Imura, Hiroyuki Okabe, Toshiyuki Uchida,etal. Study on Open and Short End Helical Antennas with Capacitor in Series of Wireless Power Transfer using Magnetic Resonant Couplings[J]. IEEE, 2009,(09):3848-3853.

沈錦飛(1955-)，男，教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動。

研制開發

Research on Magnetic Coupling Resonant Wireless Charging System for Electric Vehicle

FANG Chu-lang, SHEN Jin-fei

(College of Internet of Things, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract:Wireless charging for electric vehicle is a hot research topic. A wireless charging system is designed based on the principle of magnetic coupling resonant wireless power transmission. Elements influencing power and efficiency of transmission are analyzed, and system design considerations are presented. A 1 kW 70 kHz charging device is designed. Experimental results show that the system works stably and has a good effect.

Key words:electric vehicle; magnetic coupling resonant; equivalent model; wireless charging

中圖分類號：TM646

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3664(2015)02-0029-03

作者簡介：方楚良(1989-)，男，江蘇無錫人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

基金項目：江蘇省產學研創新 (BY2012069)。