基于ICPT的電動汽車無線充電系統研究

湖南鐵道職業技術學院　高巧玲

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基于ICPT的電動汽車無線充電系統研究

湖南鐵道職業技術學院高巧玲

【摘要】隨著全球能源短缺及日益加重的環保問題，以電能來代替其它能源的運輸工具——電動汽車的發展越來越快，而電動汽車的發展最大的瓶頸就是充電技術的發展，傳統的有線充電需要人工插拔，充電電壓高，電流大存在很大的安全隱患，而無線電能傳輸因能解決電氣設備的靈活性、安全及環保問題而備受關注。文章主要介紹基于感應耦合電能傳輸（ICPT）的電動汽車無線充電技術，并針對電動汽車充電的要求，設計了基于ICPT的電動汽車無線充電裝置。

【關鍵詞】ICPT；無線電能傳輸；電動汽車無線充電

0　引言

感應耦合電能傳輸（ICPT）是無線電能傳輸（WPT）的一種,目前WPT主要有輻射式電能傳輸、諧振式傳輸和感應式傳輸3種，輻射式傳輸距離遠，但效率低，傳輸功率小，功率等級為毫瓦級；諧振式傳輸傳輸距離遠，但發展較晚，技術不成熟；感應式傳輸傳輸功率大，效率較高，是最適合應用于電動汽車的無線電能傳輸。ICPT通過松耦合變壓器將電能非接觸式地傳輸給負載，松耦合變壓器是ICPT系統傳輸的主要部件，它可通過傳統變壓器進行改造，實現兩側分離，因松耦合變壓器初次級之間存在很大的氣隙，耦合系數低，漏感大，為了提高它的傳輸能力，首先通過高頻逆變將工頻信號轉換成高頻信號，其次在變壓器的初次級增加補償電容構成諧振變換器。目前的電動汽車充電技術，主要是通過電纜將蓄電池和充電站連接，因電動汽車充電電壓高，電流大，接觸點易磨損老化，容易發生觸電事故，且在潮濕和惡劣環境下也不能使用，所以本文將ICPT用于電動汽車充電中，因發射部分和接收部分無直接電氣連接，操作安全性較高，磨損老化問題較小，使用更安全、可靠、靈活。

1　ICPT系統組成及工作原理

ICPT系統是利用電磁感應原理實現電能的無線傳輸，其結構如圖1所示。

圖1　ICPT系統原理框圖

系統由發射和接收兩部分構成，發射部分主要完成將輸入的工頻電網電壓轉換成高頻交流電，高頻交流電通過耦合器的電磁感應傳送到接收部分，接收部分將接收到的髙頻交流電轉換為直流電后供負載使用。整個系統由一次側整流濾波模塊，高頻逆變模塊，感應耦合變壓器模塊，變壓器原邊及副邊線圈的電容補償模塊，二次側整流和功率調節模塊等組成。

系統的基本工作原理如下：

電網發出的工頻交流電能經過整流濾波模塊轉化為直流電，高頻逆變器將該直流電逆變為高頻交流電，將高頻交流電注入到感應耦合變壓器的原邊，由法拉第電磁感應原理可知，高頻的交流電在線圈中產生磁鏈與副邊線圈交鏈，在副邊線圈中產生感應電動勢，該感應電動勢仍為高頻交流電。通過整流濾波模塊及功率調節模塊將其轉化為適應于負載的直流電能。也可將該設備輸出的直流電繼續逆變從而得到滿足交流負載的交流電能。

2　電動汽車無線充電技術

如圖2所示，電動汽車無線充電系統也由兩部分組成：地面發射系統和車載接收系統。系統工作時，由車載終端負責車輛信息的識別，并與地面端充電設備進行信息交互，確認具體充電需求；由地面端電源裝置將220VAC/50Hz 市電轉換為高頻電流注入地面發射裝置，然后由地面發射裝置將高頻電流轉化為高頻磁場并發射出去；車載端接收裝置通過電磁感應耦合原理接收高頻磁場信號，并將其轉化為高頻電流，然后經車載充電機轉化為直流電供給動力電池充電；這個過程中，車載充電機還需要負責電池充電信息的檢測和收集，并將數據信息發送到車載充電系統進行顯示。

圖2　電動汽車無線充電示意圖

3　基于ICPT的電動汽車無線充電系統的設計

由于電動汽車無線充電系統中原副邊線圈分別位于地面和車內，距離較大，原副邊線圈氣隙大，漏磁大，耦合系數低。因此設計時，該系統必須考慮以下幾點：高頻工作、耦合器采用諧振技術、開關器件的軟開關能力、合理的充電距離、偏差適應性、優化控制方式和寬負載的工作范圍。根據系統組成，可知ICPT系統電路圖如圖3所示，由圖3可知，系統由功率變換模塊——初級整流濾波電路、高頻逆變電路、次級整流濾波電路，原副邊補償模塊、耦合器變壓器模塊構成。

圖3　ICPT系統電路圖

3.1功率變換模塊

功率變換模塊的主要作用是將從電網獲得的50HZ工頻交流電轉化為10-500KHZ的高頻交流電，它是整個系統的關鍵環節。

3.1.1拓撲分析

按主電路拓撲結構的不同將各種功率變化器分為反激式、半橋式、全橋式和推挽式。反激式功率變換電路一般采用單管變換，應用在功率僅需幾十毫安的較小功率的裝置中，半橋或全橋式功率變換電路一般應用于幾十瓦到幾百瓦的功率裝置中，推挽式功率變換電路一般用于功率等級較高裝置中，根據電動汽車的功率需求，選擇全橋式功率變換電路，如圖4所示：

圖4　全橋式電路

3.1.2器件選擇

由于ICPT系統變壓器自身傳輸效率不高的特點，更要求功率變換電路的低損耗性，功率器件的選擇顯得尤為重要。一般選擇功率開關管的條件如下：（1）額定電壓必須高于浪涌電壓，并且留有一定的電壓余量。（2）額定電流必須高于流過開關管的峰值電流及開關管工作于安全范圍內。（3）散熱能力好。（4）損耗小。為滿足這四個條件全橋逆變電路選用MOSFET作為功率管。且采用軟開關方式控制開關管的開斷。

3.2感應耦合變壓器

由于耦合器工作在高頻情況下，為了減小趨膚效應，選擇導線為多股漆包線并饒的利茲線。根據電動汽車在不同的情況下充電，可以分為：（1）駐車充電，指電動汽車停放在充電位置上進行靜態充電。（2）公交站臺無線充電，指電動公交車利用站臺處地面鋪設的無線充電系統發送裝置，在站臺停靠時間為公交車補充電量。（3）行車充電，指電動汽車在行駛時進行充電。需在特定的道路上鋪設無線發射裝置。（4）智能電網充電，指電動汽車充電裝置納入智能電網運行控制中，可根據區域內電網負荷情況，對電動汽車無線充電進行智能控制，改善電網負荷狀況。本文主要設計的主要是針對駐車充電。

感應耦合變壓器磁路分析：

電動汽車無線充電系統中，耦合變壓器的原副線圈是分離的，一部分在地面，一部分在汽車上，存在很大的空隙，而變壓器的耦合系數為：

由公式可知，感應耦合變壓器的耦合系數只有0.2左右。

3.3諧振補償電路

ICPT系統的輸出功率能力較差，且工作頻率很高，需要對原、副邊線圈進行無功補償，原、副邊補償結構主要有兩種：串聯補償結構和并聯補償結構。ICPT系統有四種補償結構，即原邊與副邊均串聯補償(SS 拓撲)、原邊串聯副邊并聯補償(SP拓撲)、原邊側并聯副邊串聯補償(PS拓撲)、原邊與副邊均并聯補償(PP拓撲)，又電壓型 ICPT系統即SS,SP型系統中，原邊補償電容的選取沒有受到負載電阻 R 大小的制約，而恰恰相反，在電流型ICPT即 PS、PP型系統中，負載電阻R的大小對原邊補償電容的選取產生了直接的影響。也就是說，在電流型 ICPT系統中，負載電阻一旦發生變化已有的原邊補償電容將不能使原邊的等效阻抗虛部為0，使得系統不具備產生諧振的條件，影響了整個系統的傳輸效率。為了適應負載的變化，則要通過動態調整原邊補償電容的方式使之滿足要求，這樣便要以增加復雜電路為代價，總體上比一定能提高系統的傳輸效率。因此電壓型的 ICPT系統在負載適應性與頻率穩定性方面優于電流型ICPT系統。故選擇電壓型ICPT系統。

4　系統驗證

通過系統平臺的搭建，驗證了ICPT在電動汽車無線充電系統中的應用，能夠為電動汽車進行無線充電。

參考文獻

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