電動汽車無線充電系統(tǒng)分析

尤建祥， 王 輝，2， 陳金陽

（1.盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124000；2.盤錦市教育裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧 盤錦 124000）

電動汽車投入市場能夠較大程度上減少能源損耗，且減少二氧化碳的排放量，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須要解決電動汽車充電不方便的問題。目前所采用的有線充電柱是通過充電槍來對電動汽車充電，如果遇到惡劣天氣，很可能會因?yàn)槌潆姌尰螂娎|老化、漏電等產(chǎn)生觸電事故。相比來講，無線充電技術(shù)在便利性以及安全性上具有更大優(yōu)勢，通過地面發(fā)射盤與車載接收盤兩部分，使得電動汽車無論是在運(yùn)動還是靜止?fàn)顟B(tài)下均可以充電。針對電動汽車無線充電技術(shù)進(jìn)行研究，對推動整個(gè)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 電動汽車無線充電理論分析

與傳統(tǒng)的插電式充電模式不同，電動汽車無線充電系統(tǒng)是利用電源自電網(wǎng)在電源側(cè)發(fā)射端位置獲取電能，并通過振蕩器來產(chǎn)生高頻振蕩電流。然后此震蕩電流會通過阻抗來對電路以及功率放大器進(jìn)行匹配，并將電路放大，促使發(fā)射線圈周圍形成一個(gè)非輻射磁場，以此來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能向磁場的轉(zhuǎn)變。然后電動汽車側(cè)面的接收線圈便會對固有的頻率電磁波進(jìn)行有效接收，以及接收電路所產(chǎn)生的最強(qiáng)振蕩電流，實(shí)現(xiàn)磁場與電能之間的轉(zhuǎn)換。通過這一過程，電流便可經(jīng)過整流濾波進(jìn)入到無線充電系統(tǒng)的限流調(diào)節(jié)電路內(nèi)，來向電動汽車的車載電池充電，滿足汽車驅(qū)動需求。

就電動汽車無線充電系統(tǒng)的運(yùn)行原理可以確認(rèn)，磁共振系統(tǒng)中發(fā)射以及接收線圈全部屬于自振系統(tǒng)，根據(jù)其所具有的共振特性進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能耗是由系統(tǒng)發(fā)射端和接收端共同控制，使得傳輸能量的過程所耗能量最少［1］。鑒于能量傳輸?shù)倪^程需要以共振系統(tǒng)為基礎(chǔ)，因此可確定其不會影響到共振系統(tǒng)以外的其他物體。另外，無線充電系統(tǒng)的磁場強(qiáng)度與地球磁場差異不大，其有效的傳輸距離有限。以及基于電流傳輸所用技術(shù)的分析，確定如果電磁波頻率增高，則磁共振系統(tǒng)面向空間輻射的能量也會隨之增大，電流傳輸效率同樣會相應(yīng)增大。

2 電動汽車無線充電關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電磁耦合器

電動汽車所應(yīng)用的無線充電系統(tǒng)早期均為電磁感應(yīng)式，電磁耦合器與分離變壓器相似，使用時(shí)兩者分開的間距僅有幾毫米到幾厘米不等，這就決定了電磁耦合器的傳輸距離非常小，抗偏移能力差，無法滿足電動汽車實(shí)際應(yīng)用需求。為了提高電動汽車充電的便利性與安全性，目前已經(jīng)將電磁耦合器設(shè)計(jì)成平板式，將發(fā)射盤直接埋于地下或者與地面保持水平，而電能接受盤則安裝在車輛底盤。此種全新的設(shè)計(jì)方式，其基本原理就是利用最少的磁芯獲得最大耦合系數(shù)與抗水平偏移能力。平板式電磁耦合器主要分為單邊型與雙邊型，雙邊如扁平式螺旋管線圈，其中間為扁平的鐵氧體，以鐵氧體作為中心在其外周纏繞線圈，具有較大的抗偏移能力［2］。但同時(shí)也是因?yàn)榇艌龇植紴殡p面形式，耦合器產(chǎn)生的一半磁場是無用的，電能接收盤的背部如果不進(jìn)行額外的磁屏蔽設(shè)計(jì)直接貼在汽車底盤，另一半的無用磁場就會對汽車底盤產(chǎn)生影響，引起的渦流會造成底盤發(fā)熱，因此對于大功率無線充電系統(tǒng)并不合適采取此種雙面型耦合器。單面耦合器依然是現(xiàn)在電動汽車無線充電系統(tǒng)研究的主要對象，其產(chǎn)生的磁場多集中于發(fā)射盤和接收盤之間區(qū)域，由發(fā)射盤產(chǎn)生的磁場進(jìn)入到接收盤內(nèi)之后，會有大部分直接被鐵氧體聚集到內(nèi)部，泄露出來的只有很少的一部分，確保了磁場的高利用率。

2.2 諧振補(bǔ)償

電動汽車的無線充電系統(tǒng)，充電過程即電能在發(fā)射線圈和接收線圈之間相互傳遞，并沒有作用于有功功率的傳輸漏電感。并且系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的發(fā)射以及接收線圈之間的間距較大，兩者之間耦合系數(shù)非常小，只有0.05～0.3。線圈距離、對齊程度以及面積大小是影響耦合系數(shù)大小的關(guān)鍵因素，使得無線充電系統(tǒng)內(nèi)存在很大的漏感且互感很小，因此在進(jìn)行線圈設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)鍵就在于增加耦合度，且取消漏感的補(bǔ)償電路［3］。一般情況下，電容器被添加到電路中內(nèi)，會形成磁耦合諧振電路。

現(xiàn)在正在進(jìn)行研究的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多，包括串聯(lián)串聯(lián)（SS）、并聯(lián)串聯(lián) （PS）、串聯(lián)并聯(lián) （SP）以及并聯(lián)并聯(lián)（PP）等。為降低系統(tǒng)伏安容量，一次側(cè)電容可以使得輸入電壓與電流同相，稱之為零相角 （ZPA）方法。其中，想要實(shí)現(xiàn)ZPA，可以通過諧振電容求解公式獲得，其中Q2為二次側(cè)線圈品質(zhì)因數(shù)，K為耦合率。不同補(bǔ)償方式的諧振電容求解公式如下。

其中，SS與PS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Q=wL2／R；SP與PP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Q=R／wL2，w表示開關(guān)頻率。通過上述公式可知，SS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，一次側(cè)電容與耦合系數(shù)以及負(fù)載無關(guān)；SP、PS、PP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中，一次側(cè)電容會受耦合率的變化影響產(chǎn)生相應(yīng)變化。相比來講，無線充電系統(tǒng)采用SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠一直處于諧振狀態(tài)下，耦合程度以及負(fù)載產(chǎn)生的影響更小，應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯。但同時(shí)也需要注意，SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中一次側(cè)線圈電流會因?yàn)轳詈舷禂?shù)以及負(fù)載的變化而受到影響。綜合來講，上述4種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對于電動汽車的無線充電系統(tǒng)應(yīng)用適應(yīng)性均比較低，目前已經(jīng)提出研究新的復(fù)合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，且以發(fā)射端為LCC的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)適應(yīng)性最強(qiáng)，其系統(tǒng)一次側(cè)線圈電流所受耦合系數(shù)以及負(fù)載的影響大大降低，可以更好地在發(fā)射盤上形成穩(wěn)定磁場［4］。

3 電動汽車無線充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電動汽車無線充電一次側(cè)實(shí)現(xiàn)的為電的高頻化過程，二次側(cè)則是高頻化的直流化過程，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大系統(tǒng)功率因數(shù)，降低系統(tǒng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響。這樣就需要對系統(tǒng)頻率進(jìn)行跟蹤確認(rèn)，即無線充電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具備功率控制功能。同時(shí)，系統(tǒng)耦合器電壓需要通過相位比較產(chǎn)生的脈沖對逆變電路開關(guān)的開斷進(jìn)行控制，因此要求系統(tǒng)需要具備測定耦合器輸出電壓的功能。另外，系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)之間需要進(jìn)行信息溝通，為實(shí)現(xiàn)信息共享，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)添加CAN協(xié)議。以及為避免系統(tǒng)運(yùn)行過程中程序跑飛以及死循環(huán)，應(yīng)對系統(tǒng)電路添加復(fù)位電路和保護(hù)電路。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制芯片

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)主要是由芯片來控制，面對較多功能設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)，為確保無線充電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，就需要有高性能的芯片作為支持，以便可以對電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)測故障并預(yù)警，在故障發(fā)生后能夠?qū)φ麄€(gè)電路進(jìn)行有效保護(hù)［5］。要滿足CAN通信要求，以功能強(qiáng)大且功能全面的芯片最佳。以STM32芯片為例，為32位處理單元芯片，功能非常強(qiáng)大，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 復(fù)位電路

單片機(jī)編程時(shí)很多情況下會出現(xiàn)程序跑飛或者進(jìn)入死循環(huán)的問題，為了保證在問題出現(xiàn)后單片機(jī)可以重新恢復(fù)運(yùn)行，可以對系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位電路。STM32復(fù)位電路如圖1所示。

圖1 STM32復(fù)位電路

3.2.3 保護(hù)電路

保護(hù)電路作為無線充電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，需要根據(jù)實(shí)際需求來做好每一個(gè)細(xì)節(jié)的控制。在程序維持正常運(yùn)行狀態(tài)過程中，保護(hù)電路的功能不會發(fā)揮，而是在運(yùn)行過程中出現(xiàn)差錯(cuò)異常可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的情況下，保護(hù)電路才會動作，確保系統(tǒng)能夠恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。即電路均有一個(gè)正常運(yùn)行的范圍，如果超出此范圍系統(tǒng)運(yùn)行便會出現(xiàn)問題，保護(hù)電路將會發(fā)出閉鎖信號來進(jìn)行閉鎖，以此來確保電路的安全性［6］。而當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)回到正常范圍以內(nèi)后，閉鎖信號便會消失，系統(tǒng)重新恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。利用比較器來對輸入信號和采樣信號進(jìn)行比較，同時(shí)設(shè)置一個(gè)安全閾值，比較過后的信息會直接反饋給單片機(jī)，然后根據(jù)比較信息來做出相應(yīng)動作。

3.2.4 供電電源

所選供電電源必須要具有較高的穩(wěn)定性，以此來維持單片機(jī)的正常運(yùn)行，無論是過大或過小均會對單片機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)斐蓳p壞。STM32芯片的供電區(qū)間在2～3.6V，可選擇最常見的干電池供電形式。將干電池接入到系統(tǒng)電路內(nèi)，利用降壓芯片來促使電壓降低，并通過穩(wěn)壓芯片作用維持在允許電壓范圍內(nèi)，滿足單片機(jī)的運(yùn)行要求。

3.2.5 CAN通信接口電路設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)集成有CAN控制器模塊，在對其接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以先連接收發(fā)芯片和CAN總線，然后再連接單片機(jī)與收發(fā)芯片。例如VP230為一個(gè)CAN總線的收發(fā)芯片，其工作電壓為3.3V，圖2為CAN總線連接電路原理圖。

圖2 CAN總線連接圖

3.2.6 MOSFET驅(qū)動

MOSFET驅(qū)動以及驅(qū)動信號產(chǎn)生電路是整個(gè)無線充電控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的核心部分，驅(qū)動信號產(chǎn)生電路即產(chǎn)生可以促使MOSFET管開斷的方波信號，并且可以控制方波信號，達(dá)到控制開斷的目的。

4 結(jié)束語

除了要對無線充電控制系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)外，還需要重視對軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括主程序與充電程序，保證可以維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。加強(qiáng)對電動汽車無線充電系統(tǒng)的研究，對于推動整個(gè)行業(yè)的發(fā)展具有重要意義，即以高新技術(shù)作為支持，對原有充電系統(tǒng)中存在的不足進(jìn)行改善和優(yōu)化，提高電動汽車充電的便利性與安全性，滿足日常生活實(shí)際需求。