電動車用磁耦合諧振式無線充電系統的電路模型設計

劉凌飛，趙帥，張志雄，趙瑞林

（天津職業技術師范大學 汽 車與交通學院，天津 300222）

前言

在環保與能源危機的重重壓力之下，新能源汽車成為綠色出行的主力軍。在此契機下，各國政府及各大汽車廠商積極推進電動汽車的發展。電動汽車的普及，不僅需要提高其整車技術、續航里程等，還需要考慮能源供給端，即充電效率、充電方式的改良。現階段，電動汽車充電設施尚不夠健全，傳統插電式的充電方式較為笨重，操作較為繁瑣，安裝位置受限，存在安全隱患。相較而言，無線充電技術較為安全、便捷，維護率低，適用范圍較廣，受到汽車行業的關注，無線充電技術不失為電動汽車供電技術的發展趨勢。目前，市場上采用充電樁的有線充電技術相對成熟，而與有線充電樁相比，無線充電方式擺脫有形輸電介質的束縛，不需要設置充電接口、充電線即可對電動汽車進行充電，不僅節約材料成本，且充電時能夠不受充電場地的限制，可以靈活的應用于各種場地，解決了線束裸露、繁雜的劣勢，順應著新能源汽車未來的發展趨勢。

1 背景與意義

無線充電的方式大致分為五種，即電磁感應式、磁耦合諧振式、電場耦合式、無線電波式、激光式。電磁感應式無線充電方式對收發線圈的同軸度要求極高，如若在充電過程中收發線圈沒有嚴格對齊，將會導致充電效率大幅度降低，造成極大的電能浪費；而磁耦合諧振式無線充電方式不需要嚴格對齊，憑借共振效應，可穿越障礙物，使接收端產生共振電能，能有效地解決感應式無線充電的對齊限制。此外，磁耦合諧振式無線充電能夠同時對多個具有相同頻率的接收線圈進行能量發射與接收，能有效縮短電動車充電時間，減少汽車的電池攜帶量，提高充電效率，節省設備安裝成本，減少充電業務的人工干預程度，使電動汽車充電系統更加便捷、可靠。

2 系統模型理論分析與設計

我們結合現有技術與理論，研究討論了一種磁耦合諧振式無線充電系統的理論和設計。系統在傳統的驅動方式中加入環路反饋控制，在系統參數改變時對驅動電路導通時間進行精確調整，達到零電流開關的目的，從而實現高效率的近場無線電力傳輸。系統主要由三部分組成：電源發射系統，能量傳輸系統和能量接收系統。電源發射系統作為電能供給部分，主要用來產生一定頻率的功率交流電；能量傳輸系統包括發射線圈與接收線圈兩個核心器件，能量接收系統即到達負載端前對電能的處理部分。系統的結構簡要框圖如圖 1所示。

圖1 磁耦合諧振式無線充電系統簡圖

在磁耦合諧振式無線充電系統中，影響系統的傳輸功率和效率的影響因素有許多。其中，收發線圈的耦合系數是一個重要的因素。可采用高磁導率所繞制的線圈來提高系統收發線圈的耦合系數，從而保證即使在原副線圈處于非對正位置的情況下，能夠實現高效的、大功率的能量傳輸。為了有效地傳輸電能，磁耦合諧振式無線充電系統需要將發射線圈和接收線圈的自諧振頻率設置為同一頻率，即為系統的耦合諧振頻率。通過收、發線圈的磁耦合諧振方式，將高頻線圈的能量通過磁場傳輸給接收線圈。

在電動汽車實際使用過程中，汽車電子系統的頻率較低，為了避免干擾，系統選取的頻率應處于較低頻率范圍內，約為100KHz。

3 發射端設計

對于發射端來說，首先要做到較小的發射損耗，以避免過多的電能消耗，因此驅動方式的選擇尤為重要。實驗發現，高頻MOS或IGBT開關方式驅動較三極管驅動來說損耗較低，因此，發射端驅動電路的設計采用單管IGBT驅動方式可在一定程度上降低發射端的能源損耗。能量傳輸過程中，為實現零電流開關狀態，可采用相位跟隨的辦法，即通過檢測線圈兩端實際電壓來確定導通時刻，在電路中就必須考慮引入電壓比較器電路來控制IGBT的開關。其設計原理如圖2所示：

圖2 由比較器確定的IGBT的最佳導通時刻

為提高導通速度，采用推挽驅動IGBT的方法，降低導通損耗從而保證能量傳輸效率。系統起振電路采用LM393 AD通用放大器芯片的B通道作為起振器使用通道。在LM393AD設置外圍電路搭建多諧振蕩器電路，自激起振。目標振蕩頻率設置為100kHz，輸入點連接頻率跟隨電路輸出的偏置信號，輸出點連接推挽驅動電路，構成完整回路。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 起振電路

頻率跟隨電路使用LM393AD的A通道作為電壓比較器使用通道，接收從線圈采樣的兩路信號，判斷實際頻率信號的相位變化。輸出偏置信號反饋給LM393AD的B通道，該通道可調節振蕩頻率。通過使用一片LM393AD芯片的兩個通道實現這兩個關鍵功能，不僅節約了版面面積，而且可降低成本，減少功耗。其頻率跟隨電路如圖4所示：

圖4 頻率跟隨電路

經過前級的頻率調整后可輸出0V/18V振蕩信號，但LM393AD的輸出電流僅有20mA，不足以直接驅動高壓IGBT，所以需要增加一級推挽放大電路放大輸出電流。系統設計的電源為18V，驅動頻率為100kHz，采用大功率三極管SS8050與SS8550構建甲乙類功率放大電路。

其中，SS8050為NPN型三極管，SS8550為PNP型三極管，其CE間擊穿電壓為25V、最大輸出電流均為1.5A、最大開關頻率為30MHz，其參數均符合需求。額外的，在VCC與推挽輸出點之間連接有續流二極管1N5401，可保證迅速關閉。推挽電路設計原理圖如圖5所示：

圖5 推挽驅動諧振電路

系統的最后一級采用K25T1202高壓高頻IGBT管，控制LC諧振電路的開關。在100V電源與發射線圈之間串入500uH的電感作為扼流圈，防止電流畸變產生毛刺。

根據數據單，該IGBT參數最大電壓為1200V，最大電流為25A，當開關頻率為100kHz時輸出電流可以達到20A（如圖6）。參數符合要求。

圖6 IGBT頻率-電流曲線圖

4 接收端設計

對于接收端的設計，考慮將接收線圈參數設置為與發射線圈參數一致，保證諧振頻率相同。與此同時，接收端的電路中加入超高速二極管整流和電容濾波的設計，可在將高頻交流電轉化為直流電的同時降低接收端的功率損耗，其原理如圖7所示。超高速二極管采用型號為RHRP8120，其擊穿電壓為1200V，最大工作電流為8A。值得注意的是，在高頻整流過程中，濾波電容的選取應采用并聯阻抗較低的類型，否則將會導致系統能量損耗增加。系統采用0.3uF的耐壓為450V的電磁爐專用電容。

圖7 接收端電路

在接收端電路輸出直流電壓后，分出一電路電流連接負載燈泡，分出另一電路連接DC-DC模塊降至5V的直流電壓，供給接收端的單片機使用。另外需要設置電阻分壓電路將電壓線性降低到適合單片機AD接口處理的電壓，以獲取輸出的電壓信息。

在接收端電路輸出直流電壓后，分出一路電流連接負載燈泡，分出另一電路連接 DC-DC模塊降至5V的直流電壓，供給接收端的單片機使用。另外需要設置電阻分壓電路將電壓線性降低到適合單片機AD接口處理的電壓，以獲取輸出的電壓信息。系統的總電路仿真設計圖8所示：

圖8 系統總電路圖

5 實際測試電路

驗證設計思路的實際測試過程中，收發線圈采用半徑為18cm，電感量為105uH，諧振電容為3uF的平板線圈。系統的驅動電路供電電壓為60V DC，比較器供電電壓為15V DC，均使用直流穩壓電源供電。測試時，先將接收線圈和發射線圈圓心正對，兩線圈平行，距離設置為10CM，接收線圈負載為RL=20Ω大功率電阻。測試時各部分實物如圖9所示。發射線圈與接收線圈調試完畢后再重新對正，中間用高度為10cm亞克力塑料支架阻隔。

圖9 實際測試照片

按下啟動開關將系統啟動后，將輸出功率調節到最大值，實際測量的負載端電阻電流和電壓如下：

圖10 示波器截圖

圖11 供電用直流電源實測數據圖

則負載電阻上的電壓有效值為Uo=45.8V，輸出功率為

發射端采用雙路串聯的直流電源，其電壓為Ui=60.3V，輸入電流為Ii=2.64A。將實際電壓、電流值代入公式計算可得輸入功率Pi為：

則此電路系統的實際效率η計算得：

至此，通過對電路的發射及接受端的設計驗證，可將磁耦合諧振式無線充電系統的功率提升至65.9%，大大提升了磁耦合諧振式無線充電系統的能量傳輸功率。

6 結論

本文分析綜述了目前磁耦合諧振式無線電能傳輸技術的研究背景和發展現狀，并在對磁耦合諧振式無線電能傳輸技術上設計驗證了一種實現方式，并設計制作了基于純電動汽車的磁耦合諧振式無線充電技術示教演示平臺。由此可以看到，隨著磁耦合諧振式無線電能傳輸技術研究的不斷深入，電動汽車的無線充電方式將會更加完善。