針對高原無人區的汽車無線充電技術研究

西藏大學 袁 林 張 穎 何林峰 次仁歐珠 王辛巖

位于青藏高原的西北部，有著中國最大的無人區。如果車輛在其行駛途中一旦缺少燃油或電量供給，駕駛員及乘客很容易發生生命安全事故。本項目以高原無人區為研究區域，針對電動汽車未來的發展趨勢及解決高原無人區電動汽車充電難的問題，主要研究和分析了磁耦合諧振無線充電的技術原理和應用模式。這為高原汽車無線充電技術提供了研究思路，為中國電動汽車的發展提供了有力保障。

引言：該系統主要由車道電源存儲/輸出裝置、電能頻率轉換裝置、能量傳輸裝置及車載整流穩壓裝置等組成。在磁耦合諧振式無線充電系統工作時，首先車道電源存儲裝置源源不斷的向電能頻率轉換裝置輸出電能。其次電能頻率轉換裝置向能量傳輸裝置（發射線圈）輸送頻率與接收線圈諧振頻率大小相同的電壓。同時接收線圈與發射線圈諧振，并且能量從發射線圈傳輸到接收線圈以實現能量傳遞。最后通過車載整流穩壓裝置為電機提供前進的動力。

一、無線充電技術的電源分析

中國最大的無人區位于高海拔地區，擁有獨特的太陽能資源。因此，該系統主要使用太陽能供電。太陽能系統主要由吸收裝置、轉換裝置、充電電路、放電電路組成，實現光能的吸收—電能轉換—電能存儲—放電的過程，根據不同負載的功率要求提供不同水平的電能。為保證太陽能系統輸出最大功率和在不同充電情況時蓄電池的工作效果。本系統對太陽能系統的充放電特性進行了分析，得到了初充電和維持充電兩種不同策略的充電控制。在初始充電階段期間，電池的電流接收容量大于太陽能的輸出容量。這時蓄電池處于浮動狀態。當電池處于浮動狀態時的浮動充電電壓必須足夠大以補償電池的自放電特性。另外，鉛蓄電池具有大的電壓特性負溫度系數，因此有必要合理地考慮溫度變化范圍。其過程主要是收集電池電壓和太陽能電流數據以及與其對應的條件，通過諸如電流檢測電路，設置太陽能控制電路、主電源控制電路、太陽能電池檢測電路和充電控制電路。對太陽能控制電路或主電源控制電路的輸入進行控制，并將電源用作路燈和能量發射線圈的電源。

二、磁共振耦合系統的磁共振分析

（一）能量傳輸過程特征分析

能量傳輸過程中，通過對發射線圈及接收線圈兩個共振系統效果的分析，得到實際的感應線圈制作指標。通過有規律的調整線圈位置進行射頻信號的分析，計算出實際頻率振動的指標，研究其產生的彌漫效果。由于在非輻射磁場的過程中會發生共振效應，因此必須具有固定的頻率。明確每個共振效應，分析檢測表面的總能量水平、發射能量時非輻射磁場接收的能量，得出無線傳輸過程中實際接收的能量。同時根據實際接收能量分析傳輸端傳輸/接收的吸收效果，進行能量損耗的計算。

（二）耦合模理論研究

理論研究表明，耦合模理論用于分析具有相同共振頻率的兩個或多個物體之間的能量轉移。磁共振耦合系統由接收線圈，發射諧振線圈，高頻交流激勵源和負載組成。耦合模理論可用于研究和分析該模式的耦合系統。

耦合模理論的核心公式，其數學表達式如下：

其中，（2.1）式中am(t)是諧振體m的幅度，τm是諧振系統的阻尼系數，ωm是諧振體m的角頻率，kmn代表諧振系統中第m和第n個諧振器之間的耦合系數Fm(t)諧振系統的激勵源。

（三）諧振電路分析

系統的基本電路是串聯諧振電路，其中電容C和電感L串聯，電路原理如圖2.1所示：

圖2 .1 R-L-C串聯諧振電路圖

其中U為諧振電路的電源電壓，I為諧振電路中的電流，R為諧振系統中的等效負載，ω為系統的角頻率，C為諧振系統的補償電容。則諧振系統的等效阻抗為：

當系統處于諧振狀態時，電路中的電容和電感的影響相互抵消，即：

計算系統應滿足的角頻率

此時，系統中的電流I最大，諧振系統的等效阻抗至少為R

根據上述分析，當LC振蕩電路應處于諧振狀態時，外部激勵源的頻率等于LC諧振的角頻率。并且在理想狀態下，電感和電容相互抵消，電路的等效阻抗最小。

三、磁共振耦合無線充電系統設計

如圖所示，整個系統包括高頻激勵源裝置、埋于地下的能量發射器、電源、位于車底盤上的能量接收器、充電電池、車載能量交換裝置以及電控電機等部分。

圖3 .1 電動車磁共振耦合無線充電系統結構圖

在調諧電壓之后，電源向激勵源供電。輸入電壓由高頻激勵源激發，反轉為所需頻率和幅度的電壓，并提供給埋在地下的能量發射元件。能量發射裝置中的線圈產生交變磁場并且與能量接收裝置中的接收線圈相距一定距離，從而接收由裝置中的線圈產生的感應電動勢，并在整流濾波和功率轉換之后產生所需的直流電壓，用于電池充電或電機工作。為了確保系統的安全可靠運行，檢測接收側和發送側的電流和電壓，并將收集的電壓和電流信號反饋給控制器進行處理，以實現設備的正常運行。