淺談電動汽車無線充電系統(tǒng)設計

徐位君 ， 談 宸 ， 楊書明

（荊楚理工學院電子信息工程學院，湖北 荊門 448000）

0 引言

電動汽車不但是世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個重要方向，同時也是解決環(huán)境污染問題的一個重要途徑。目前電動汽車的研究進行得如火如荼，不管是國內(nèi)還是國外都在致力于其中[1]。電動汽車的充電方式有兩種，即有線充電和無線充電。有線充電雖然應用廣泛，但是目前充電樁充電的時間比較長，并且充電多次拔插電源，存在安全隱患，充電線也會磨損，嚴重導致?lián)p壞[2]。無線充電能很好地避開這些問題，并且沒有接觸損耗與機械磨損等問題。投入在無線充電領域的研究很多，其充電方式也十分豐富，各具特色。在這些無線充電方式中，磁耦合諧振無線充電是研究的重點和熱點[3-4]。

目前，國內(nèi)外電動汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)模型并不完善，沒有完整的應用到電動汽車上的磁耦合諧振無線充電系統(tǒng)模型，同時也缺乏具體的一些優(yōu)化控制策略，并且?guī)缀鯖]有考慮到充電時電池端的安全問題。文中對磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)進行了搭建，系統(tǒng)采用S-LCL補償結(jié)構(gòu)，并且將電池端的實時電壓電流與溫度反饋給輸入端。文中利用Matlab/Simulink搭建了一個完整的應用到電動汽車上的電動汽車磁耦合諧振無線充電系統(tǒng)模型，通過仿真得到充電時的實時電壓、電流以溫度，對仿真結(jié)果進行了分析與對比，結(jié)果表明，能很好為后期搭建演示實驗臺架提供更好理論依據(jù)。

1 電動汽車無線充電系統(tǒng)

電動汽車無線充電系統(tǒng)主要包括以下部分：高頻DC/AC逆變器、磁耦合諧振電能傳輸、整流濾波部分、電壓、電流、溫度信息采集部分以及主控制器與二次側(cè)控制器，如圖1所示。首先，直流電經(jīng)過高頻DC/AC逆變器，將直流電變?yōu)楦哳l交流電，然后加在磁耦合諧振電路中的一次側(cè)輸入端，線圈因有高頻交流電注入而產(chǎn)生高頻交變磁場，二次側(cè)線圈在高頻交變磁場中感應產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)過整流濾波成直流電，從而給電池充電。在其中加入了功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，防止高溫或者過電壓影響電池安全性以及使用壽命。

圖1 電動汽車無線充電系統(tǒng)圖

此外，電動汽車無線充電系統(tǒng)中的一次側(cè)和二次側(cè)需要進行信息的交換，此時需要無線通信系統(tǒng)，在一次側(cè)與二次側(cè)分別設置了控制器，兩者通過無線通訊系統(tǒng)連接，二次側(cè)控制器可控制整流濾波部分與功率調(diào)節(jié)部分，同時將從電池端采集到的電壓電流溫度信息通過無線通信傳遞給主控制器，以此實時監(jiān)測電池的狀態(tài)，主控制器通過得到的信息，將需要采取的措施傳遞給二次側(cè)控制器，以此通過控制功率調(diào)節(jié)來保證充電時的安全。

2 電動汽車無線充電補償結(jié)構(gòu)設計

由于電動汽車無線充電系統(tǒng)中的傳輸線圈間為松耦合，其系統(tǒng)無功功率較高，則需要加入諧振線圈來提升傳輸效率。諧振網(wǎng)絡又可稱補償網(wǎng)絡，正常情況下它與一次側(cè)線圈發(fā)生諧振，從而達到提升傳輸效率的效果和調(diào)整輸出輸入特性等。現(xiàn)在市面上常用的主要是串聯(lián)（Series，S）補償、并聯(lián)（Parallel，P）補償和串并聯(lián)（LCL）補償及其他一些在此基礎上衍生的復合補償網(wǎng)絡[5]。

對于一次側(cè)而言，S型補償拓撲可與電壓源型逆變器直接相連，輸入阻抗較低且損耗小，易實現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié)作用；P型補償拓撲直接需要電流源供電，易受擾動，在實際生活中較少應用；LCL型補償拓撲能使一次側(cè)發(fā)射線圈的電流保持穩(wěn)定呈現(xiàn)出恒流源特性[6]，較適用于多負載傳輸。

對于二次側(cè)而言，S型補償拓撲能夠保持電壓穩(wěn)定，可近似于恒壓源的輸出特性。P型補償拓撲則能夠獲得類似恒流源的輸出特性[7]，LCL型拓撲能進一步實現(xiàn)輸出電流與負載的解耦，同時避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時對一次側(cè)造成的過電流問題。

在LCL諧振的基礎之上，文獻[8]提出了LCC諧振網(wǎng)絡，即在發(fā)射線圈支路上額外串入電容。該電路穩(wěn)態(tài)條件下可等效成為LCL電路[9]，通過合理選擇串入的電容值來調(diào)整發(fā)射線圈上的電流，同時可以隔離電源側(cè)的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化。

考慮到電動汽車無線充電系統(tǒng)中，輸入端通常為電壓源，二次側(cè)需要獲得類似恒壓源的輸出特性，且LCL型拓撲能進一步實現(xiàn)輸出電流與負載的解耦，同時避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時對一次側(cè)造成的過電流問題，所以在此選擇了S-LCL補償結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中M為傳輸線圈間互感；L1、R1、L2、R2分別為發(fā)射、接收線圈的電感和等效電阻；C1、C2、L′2分別為一次側(cè)、二次側(cè)的諧振電容和諧振電感；RL為負載電阻；U為電源電壓。

圖2 S-LCL補償結(jié)構(gòu)

3 電動汽車電池端安全檢測

在目前大多數(shù)的無線充電系統(tǒng)中，都未考慮到在無線充電時的電池安全問題，例如充電過程中的過電壓、過電流、溫度過高等，這些問題極易導致電池壽命減短，嚴重時會毀壞電池甚至整個系統(tǒng)。所以無線充電系統(tǒng)中亟需一個實時的監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r地顯示充電時的電壓、電流以及電池的溫度，以此來保障電池在無線充電時的安全問題。

在無線充電系統(tǒng)的一二次測，分別設置有主控制器與二次側(cè)控制器，它們之間通過WiFi連接，二次側(cè)控制器將二次側(cè)采集到的信息（充電電壓、電池電壓、電流、溫度）傳遞給主控制器，主控制器通過自動或者人工，采取相應的措施，或者將指令傳給二次側(cè)控制器，二次側(cè)控制器再通過功率調(diào)節(jié)，解決相應的問題。

對于電壓電流的采集，直接將電池兩端的電壓與通過電池的電流，運用電子儀器將電壓與電流信息采集，將采取的電壓與電流傳遞給二次側(cè)控制器，該電壓電流可直接顯示到顯示屏上；對于電池的溫度，運用溫度傳感器，將采集到的溫度，實時顯示到顯示屏上。電池端電壓、電流、溫度都能得到實時的檢測，讓電動汽車能夠放心地進行充電。

4 系統(tǒng)仿真與分析

這里仿真采用的數(shù)據(jù)為：U=400V、f=13.56kHz、L1=25.39μH、L2=24.55μH、C1=10.75nF、C2=22.69nF、L`2=35.87μH、R1=25Ω、R2=25Ω、RL=10Ω。在仿真模型設計中，模擬設定時間為1h時，給系統(tǒng)一個過電壓，觀察其各項參數(shù)的變化。

如圖3、圖4、圖5所示，正常充電狀態(tài)時，電池組電壓緩慢升高，充電電流恒定不變，也就是充電的第一階段—恒流充電模式。在時間為1h時電壓升高后，圖3中有個沖擊電壓波形，但迅速下降，回歸到正常狀態(tài)。圖4中電池組電壓在整個過程保持正常狀態(tài)，圖5中電流在出現(xiàn)過電壓的時候，瞬間值直接降為0，起到了保護電池組的作用，其后回歸正常工作狀態(tài)。

整個充電過程中，電池溫度保持地較好，如圖6所示。從圖7中可以看到，電池充電電量滿足日常的“先快后慢”狀態(tài)，未出現(xiàn)異常情況。

圖3 充電電壓圖

圖4 電池組電壓圖

圖5 充電電流圖

圖6 電池溫度模擬圖

從仿真圖上得出的數(shù)據(jù)可以看出，整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在外界電壓升高的影響下，其系統(tǒng)能自動恢復到穩(wěn)定運行的狀態(tài)，電池充電電壓、電流保持穩(wěn)定，充電過程溫度未越限，整個系統(tǒng)工作表現(xiàn)良好。

圖7 電池電量圖

5 總結(jié)

文章提出了一種S-LCL型磁耦合安全型充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一二次的控制器，將二次側(cè)信息進行收集后于一次側(cè)進行分享，從而監(jiān)視整個充電過程，保障無線充電的安全性。

搭建了Simulink模型，仿真表明該系統(tǒng)在有外界過電壓的情況下，仍能保持正常的CC-CV充電狀態(tài)，且整個充電過程中電池溫度保持較好的狀態(tài)，滿足電動汽車無線充電的安全性標準，表明該系統(tǒng)能夠在電動汽車無線充電時對汽車進行全方位的監(jiān)視與保護，避免事故發(fā)生。