基于補(bǔ)償式分段導(dǎo)軌的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)

（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 概述

1.1 無(wú)線(xiàn)充電的優(yōu)點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)充電于實(shí)現(xiàn)了電能非接觸型傳輸，克服了傳統(tǒng)充電模式存在的易漏電、不易維護(hù)、使用笨重的缺點(diǎn)[1]。隨著近些年來(lái)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在電子電器方面（如無(wú)線(xiàn)快充手機(jī)、掃地機(jī)器人、電動(dòng)牙刷等）的普及使用，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸進(jìn)入人們視野。靜態(tài)無(wú)線(xiàn)充電模式不用使用傳統(tǒng)充電電纜，而動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電則有效增加了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程數(shù)，而且它能使電池組電池處于即充即放狀態(tài)，有效延長(zhǎng)了電池組的使用壽命[2]。

1.2 補(bǔ)償式分段式導(dǎo)軌概念的提出

目前國(guó)內(nèi)外靜態(tài)無(wú)線(xiàn)充電的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且已經(jīng)投入到生產(chǎn)實(shí)踐中，但是對(duì)于動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電還有許多問(wèn)題有待解決。一般來(lái)說(shuō)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電都采用集中一體式導(dǎo)軌[3]，而集中一體式導(dǎo)軌在充電過(guò)程中需要對(duì)整個(gè)線(xiàn)圈供電，能量的利用率非常低，且系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化非常敏感，極易造成整個(gè)系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要整段停用待檢，給系統(tǒng)維護(hù)造成了很大的不便。因此有必要通過(guò)分段式導(dǎo)軌[4]供電，將激勵(lì)導(dǎo)軌劃分成多段，每段導(dǎo)軌都配有換流器以及諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，將配電導(dǎo)軌上高頻的交流電轉(zhuǎn)換為低壓近似恒流的交流電，保證能量供應(yīng)的效率以及穩(wěn)定性。這種供電模式有很多優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)高壓分時(shí)分段供電，系統(tǒng)在導(dǎo)軌上的損耗較??；發(fā)生故障之后易于維護(hù)；且分段之后每段導(dǎo)軌的自感下降，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化敏感度大大降低，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文基于分段導(dǎo)軌在導(dǎo)軌切換過(guò)程中存在的磁場(chǎng)供應(yīng)不穩(wěn)定、輸出功率衰減問(wèn)題，提出一種補(bǔ)償式分段導(dǎo)軌方案，并就此展開(kāi)敘述。

2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償式分段無(wú)線(xiàn)充電導(dǎo)軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，首先通過(guò)大電容和電感濾波整流，將50 Hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)較小的直流電，然后通過(guò)高頻逆變電路產(chǎn)生高頻的交流電輸送到配電導(dǎo)軌上，經(jīng)過(guò)諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸送到激勵(lì)導(dǎo)軌上，通過(guò)感應(yīng)耦合產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，最后通過(guò)電能變換裝置的變換與調(diào)節(jié)供給不同的負(fù)載。

圖1 補(bǔ)償式分段無(wú)線(xiàn)充電導(dǎo)軌示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)方案

3.1 感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)

感應(yīng)耦合電能傳輸（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）技術(shù)是常用的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)中的一種，其基本原理如圖2 所示。整個(gè)系統(tǒng)分為供電端、受電端和電磁耦合機(jī)構(gòu)三部分，供電端與受電端均具備獨(dú)立線(xiàn)圈，供電端的發(fā)射線(xiàn)圈連接電源裝置，通過(guò)電磁耦合機(jī)構(gòu)感應(yīng)出高頻交變磁場(chǎng)，受電端的接收線(xiàn)圈接收高頻交變磁場(chǎng)同時(shí)感應(yīng)出高頻感應(yīng)電壓，再通過(guò)電能變換裝置對(duì)感應(yīng)出的高頻交流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的負(fù)載。這種方法雖然受距離影響較大，但是轉(zhuǎn)換效率高，適合電動(dòng)汽車(chē)這種大功率的充電系統(tǒng)。

3.2 諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

由于磁路耦合機(jī)構(gòu)的發(fā)射端和接收端處于耦合狀態(tài)，會(huì)在諧振回路中產(chǎn)生較多的無(wú)功功率，而電動(dòng)車(chē)對(duì)傳輸功率和傳輸效率都有較高的要求，因此需要對(duì)原副方增加補(bǔ)償電容來(lái)抵消無(wú)功功率，使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，根據(jù)原邊線(xiàn)圈與原邊補(bǔ)償電容的連接關(guān)系，以及副邊線(xiàn)圈與副邊補(bǔ)償電容的連接關(guān)系是串聯(lián)還是并聯(lián)，可以形成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 感應(yīng)耦合電能傳輸原理框圖

一般來(lái)說(shuō)，串串型（原邊串聯(lián)、副邊串聯(lián)）拓?fù)溥m合于多負(fù)載和原副邊存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，串并型拓?fù)溥m合于負(fù)載變化較大和原副邊相對(duì)靜止的系統(tǒng)，并并型和并串型拓?fù)溥m合于負(fù)載相對(duì)固定和原副邊相對(duì)靜止的系統(tǒng)，本文采用動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，原副邊存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以串串型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)較為合適。

ICPT 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ICPT 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3 高頻逆變電路

高頻逆變部分是整個(gè)系統(tǒng)電能變換工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，選擇一個(gè)合適的逆變電路至關(guān)重要。目前，電能傳輸領(lǐng)域使用的高頻逆變電路主要有電壓型半橋式逆變電路（半橋電路）和電壓型全橋式逆變電路（全橋電路）兩種逆變電路。

電壓型半橋式逆變電路和電壓型全橋式逆變電路的電路都是通過(guò)兩個(gè)橋臂按規(guī)律輪流導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)DC 至AC 的轉(zhuǎn)換，區(qū)別在于半橋電路一個(gè)橋臂只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，而全橋電路一個(gè)橋臂有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管。雖然全橋逆變電路的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量是半橋電路的兩倍，但是負(fù)載可以獲得的最大輸出電壓也是半橋電路的兩倍，同時(shí)全橋逆變電路的輸出容量較半橋逆變電路提高了一倍，可以直接通過(guò)移相控制和能量注入控制策略實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，適用于較大功率場(chǎng)合，使用相對(duì)靈活。

由于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)供電系統(tǒng)要求的傳輸功率等級(jí)較大，因此本文采用全橋式逆變電路作為高頻逆變電路，絕緣門(mén)級(jí)雙極型晶體管（IGBT）作為開(kāi)關(guān)管。

4 補(bǔ)償式分段導(dǎo)軌系統(tǒng)

4.1 分段導(dǎo)軌連續(xù)切換的基本原理

分段導(dǎo)軌連續(xù)切換的基本原理是通過(guò)相鄰兩段發(fā)射導(dǎo)軌的連接處的位置傳感器Sn來(lái)檢測(cè)線(xiàn)圈的位置，從而判斷該段導(dǎo)軌應(yīng)該處于開(kāi)始注入能量、停止注入能量、保持注入能量的哪一階段，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：當(dāng)接收線(xiàn)圈處于位置A 時(shí)，位置傳感器S1檢測(cè)到位置信息，發(fā)射導(dǎo)軌L1保持注入能量，其他發(fā)射導(dǎo)軌處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著電動(dòng)汽車(chē)的行駛，當(dāng)接收線(xiàn)圈處于圖中位置B 時(shí)，接收線(xiàn)圈右端與導(dǎo)軌段L2耦合，位置傳感器S1和S2都檢測(cè)到電動(dòng)汽車(chē)的位置信息，發(fā)射導(dǎo)軌L1維持注入能量狀態(tài)，發(fā)射導(dǎo)軌L2開(kāi)啟，開(kāi)始注入能量。在C 處接收線(xiàn)圈與相鄰的兩段導(dǎo)軌均存在磁耦合現(xiàn)象，位置傳感器S1和S2均檢測(cè)到位置信息，此時(shí)發(fā)射導(dǎo)軌L1和發(fā)射導(dǎo)軌L2均保持開(kāi)啟注入能量。接收線(xiàn)圈處于位置D 時(shí)，只有傳感器S2檢測(cè)到位置信息，發(fā)射導(dǎo)軌L1停止注入能量，由發(fā)射導(dǎo)軌L2單獨(dú)供電。

分段導(dǎo)軌切換如圖4 所示。

圖4 分段導(dǎo)軌切換示意圖

4.2 分段導(dǎo)軌所存在的問(wèn)題

將導(dǎo)軌進(jìn)行分段后減小了不必要的能量損耗，但是也隨之出現(xiàn)了新的問(wèn)題，根據(jù)安培定則可知，大小相等、電流方向相反的兩根導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，如圖4 所示，在相鄰導(dǎo)軌的切換處，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要由MN、OP 段決定，但是MN、OP 段電流方向相反，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)進(jìn)行一定抵消，電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)此處時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)衰減，電能供應(yīng)在導(dǎo)軌切換處會(huì)存在較大的波動(dòng)，因此本文采取利用補(bǔ)償線(xiàn)圈加相位控制進(jìn)行平穩(wěn)切換的換流策略。

4.3 分段導(dǎo)軌連續(xù)切換的優(yōu)化策略

4.3.1 補(bǔ)償線(xiàn)圈平穩(wěn)切換策略

發(fā)射導(dǎo)軌的輸出功率與兩條導(dǎo)軌之間的距離密切相關(guān)，若導(dǎo)軌間距變大，耦合較弱，發(fā)射導(dǎo)軌輸出功率會(huì)變??；反之導(dǎo)軌間距變小，耦合加強(qiáng)，輸出功率會(huì)變大。根據(jù)以上分析，本文選取一個(gè)導(dǎo)軌間距很小的線(xiàn)圈作為補(bǔ)償線(xiàn)圈抵消發(fā)射導(dǎo)軌的交接處的能量衰減，使供電更加平穩(wěn)。

在相鄰導(dǎo)軌的切換處，如圖4 中C 位置，接收線(xiàn)圈離MN、OP 段距離較近，受其影響較大，但是MN、OP 段電流方向相反磁場(chǎng)進(jìn)行了抵消。使補(bǔ)償線(xiàn)圈和相鄰兩段發(fā)射導(dǎo)軌的電流相位相差180°，在切換過(guò)程中MN 和OP 段電流方向相同來(lái)補(bǔ)償磁場(chǎng)，分段導(dǎo)軌切換優(yōu)化如圖5 所示。

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)完全處于補(bǔ)償線(xiàn)圈中時(shí)，將補(bǔ)償線(xiàn)圈電流相位翻轉(zhuǎn)180°，以保證磁場(chǎng)方向的一致性，具體優(yōu)化如圖6所示。

圖5 分段導(dǎo)軌切換優(yōu)化示意圖1

圖6 分段導(dǎo)軌切換優(yōu)化示意圖2

4.3.2 適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路

考慮到電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中補(bǔ)償線(xiàn)圈需要進(jìn)行相位變換，所以必須對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行恰當(dāng)?shù)南辔豢刂啤Ｐ枰紤]以下兩個(gè)問(wèn)題：補(bǔ)償線(xiàn)圈和切換導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)必須同步，盡量減少脈沖翻轉(zhuǎn)的延遲時(shí)間。因此需要選擇恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路來(lái)滿(mǎn)足這些條件。

若相鄰導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)不同步，必然導(dǎo)致導(dǎo)軌中的正弦交變電流不同步，這樣不僅僅在導(dǎo)軌切換處會(huì)存在磁場(chǎng)抵消，在其他位置也會(huì)產(chǎn)生電流反向削弱磁場(chǎng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。

若脈沖翻轉(zhuǎn)的延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)時(shí)間積累兩個(gè)相鄰導(dǎo)軌的相位差逐漸變大，一個(gè)周期內(nèi)存在電流反向的時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，同樣會(huì)削弱磁場(chǎng)造成磁場(chǎng)不穩(wěn)定。

由于本系統(tǒng)的電壓電流等級(jí)較大且采用IGBT 作為開(kāi)關(guān)管，而脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)信號(hào)和能量的同時(shí)傳輸，具有隔離電壓高、開(kāi)關(guān)頻率高、傳輸延遲小的特點(diǎn)且可擴(kuò)展性良好，適合本系統(tǒng)。

脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路基本構(gòu)成如圖7 所示，N 溝道增強(qiáng)型MOS 管起輔助作用，柵極為G，漏極為D，源極為S。當(dāng)P（pluse）端輸入正信號(hào)時(shí)，柵源極電壓VGS＜0，MOS管受偏而關(guān)斷，二極管導(dǎo)通，副方電壓經(jīng)二極管向IGBT 管提供開(kāi)通電壓，同時(shí)給結(jié)電容C 充電，這時(shí)MOS 管關(guān)斷阻止了結(jié)電容C 經(jīng)MOS 管放電，能夠一直給IGBT 管提供開(kāi)通電壓。當(dāng)P 端輸入負(fù)信號(hào)時(shí)，柵源極電壓VGS＞0，MOS管開(kāi)通，結(jié)電容C 放電，其電荷被抽出使IGBT 管關(guān)斷。

圖7 有脈沖變壓器的IGBT 驅(qū)動(dòng)器

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將動(dòng)態(tài)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的充電系統(tǒng)中，通過(guò)選用補(bǔ)償式分段導(dǎo)軌使電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中平穩(wěn)獲取電能，同時(shí)也提高了能量的利用率，本文所提出的換流策略不需要復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的實(shí)際意義。