淺談電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐位君 ， 談 宸 ， 楊書(shū)明

（荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門(mén) 448000）

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)不但是世界汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一個(gè)重要方向，同時(shí)也是解決環(huán)境污染問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。目前電動(dòng)汽車(chē)的研究進(jìn)行得如火如荼，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都在致力于其中[1]。電動(dòng)汽車(chē)的充電方式有兩種，即有線充電和無(wú)線充電。有線充電雖然應(yīng)用廣泛，但是目前充電樁充電的時(shí)間比較長(zhǎng)，并且充電多次拔插電源，存在安全隱患，充電線也會(huì)磨損，嚴(yán)重導(dǎo)致?lián)p壞[2]。無(wú)線充電能很好地避開(kāi)這些問(wèn)題，并且沒(méi)有接觸損耗與機(jī)械磨損等問(wèn)題。投入在無(wú)線充電領(lǐng)域的研究很多，其充電方式也十分豐富，各具特色。在這些無(wú)線充電方式中，磁耦合諧振無(wú)線充電是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車(chē)磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)模型并不完善，沒(méi)有完整的應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)上的磁耦合諧振無(wú)線充電系統(tǒng)模型，同時(shí)也缺乏具體的一些優(yōu)化控制策略，并且?guī)缀鯖](méi)有考慮到充電時(shí)電池端的安全問(wèn)題。文中對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，系統(tǒng)采用S-LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，并且將電池端的實(shí)時(shí)電壓電流與溫度反饋給輸入端。文中利用Matlab/Simulink搭建了一個(gè)完整的應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)上的電動(dòng)汽車(chē)磁耦合諧振無(wú)線充電系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真得到充電時(shí)的實(shí)時(shí)電壓、電流以溫度，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與對(duì)比，結(jié)果表明，能很好為后期搭建演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)架提供更好理論依據(jù)。

1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)無(wú)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(guò)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(chǎng)，二次側(cè)線圈在高頻交變磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)過(guò)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(guò)電壓影響電池安全性以及使用壽命。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)圖

此外，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)中的一次側(cè)和二次側(cè)需要進(jìn)行信息的交換，此時(shí)需要無(wú)線通信系統(tǒng)，在一次側(cè)與二次側(cè)分別設(shè)置了控制器，兩者通過(guò)無(wú)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(shí)將從電池端采集到的電壓電流溫度信息通過(guò)無(wú)線通信傳遞給主控制器，以此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，主控制器通過(guò)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(guò)控制功率調(diào)節(jié)來(lái)保證充電時(shí)的安全。

2 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)中的傳輸線圈間為松耦合，其系統(tǒng)無(wú)功功率較高，則需要加入諧振線圈來(lái)提升傳輸效率。諧振網(wǎng)絡(luò)又可稱(chēng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，正常情況下它與一次側(cè)線圈發(fā)生諧振，從而達(dá)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(bǔ)償、并聯(lián)（Parallel，P）補(bǔ)償和串并聯(lián)（LCL）補(bǔ)償及其他一些在此基礎(chǔ)上衍生的復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[5]。

對(duì)于一次側(cè)而言，S型補(bǔ)償拓?fù)淇膳c電壓源型逆變器直接相連，輸入阻抗較低且損耗小，易實(shí)現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié)作用；P型補(bǔ)償拓?fù)渲苯有枰娏髟垂╇姡资軘_動(dòng)，在實(shí)際生活中較少應(yīng)用；LCL型補(bǔ)償拓?fù)淠苁挂淮蝹?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(fù)載傳輸。

對(duì)于二次側(cè)而言，S型補(bǔ)償拓?fù)淠軌虮３蛛妷悍€(wěn)定，可近似于恒壓源的輸出特性。P型補(bǔ)償拓?fù)鋭t能夠獲得類(lèi)似恒流源的輸出特性[7]，LCL型拓?fù)淠苓M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，同時(shí)避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)一次側(cè)造成的過(guò)電流問(wèn)題。

在LCL諧振的基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[8]提出了LCC諧振網(wǎng)絡(luò)，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L(zhǎng)CL電路[9]，通過(guò)合理選擇串入的電容值來(lái)調(diào)整發(fā)射線圈上的電流，同時(shí)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(dòng)汽車(chē)無(wú)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(lèi)似恒壓源的輸出特性，且LCL型拓?fù)淠苓M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，同時(shí)避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)一次側(cè)造成的過(guò)電流問(wèn)題，所以在此選擇了S-LCL補(bǔ)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(fù)載電阻；U為電源電壓。

圖2 S-LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

3 電動(dòng)汽車(chē)電池端安全檢測(cè)

在目前大多數(shù)的無(wú)線充電系統(tǒng)中，都未考慮到在無(wú)線充電時(shí)的電池安全問(wèn)題，例如充電過(guò)程中的過(guò)電壓、過(guò)電流、溫度過(guò)高等，這些問(wèn)題極易導(dǎo)致電池壽命減短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)毀壞電池甚至整個(gè)系統(tǒng)。所以無(wú)線充電系統(tǒng)中亟需一個(gè)實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)地顯示充電時(shí)的電壓、電流以及電池的溫度，以此來(lái)保障電池在無(wú)線充電時(shí)的安全問(wèn)題。

在無(wú)線充電系統(tǒng)的一二次測(cè)，分別設(shè)置有主控制器與二次側(cè)控制器，它們之間通過(guò)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(guò)自動(dòng)或者人工，采取相應(yīng)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(guò)功率調(diào)節(jié)，解決相應(yīng)的問(wèn)題。

對(duì)于電壓電流的采集，直接將電池兩端的電壓與通過(guò)電池的電流，運(yùn)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(duì)于電池的溫度，運(yùn)用溫度傳感器，將采集到的溫度，實(shí)時(shí)顯示到顯示屏上。電池端電壓、電流、溫度都能得到實(shí)時(shí)的檢測(cè)，讓電動(dòng)汽車(chē)能夠放心地進(jìn)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(shè)計(jì)中，模擬設(shè)定時(shí)間為1h時(shí)，給系統(tǒng)一個(gè)過(guò)電壓，觀察其各項(xiàng)參數(shù)的變化。

如圖3、圖4、圖5所示，正常充電狀態(tài)時(shí)，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(shí)間為1h時(shí)電壓升高后，圖3中有個(gè)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(gè)過(guò)程保持正常狀態(tài)，圖5中電流在出現(xiàn)過(guò)電壓的時(shí)候，瞬間值直接降為0，起到了保護(hù)電池組的作用，其后回歸正常工作狀態(tài)。

整個(gè)充電過(guò)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(gè)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(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，電池充電電壓、電流保持穩(wěn)定，充電過(guò)程溫度未越限，整個(gè)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(guò)一二次的控制器，將二次側(cè)信息進(jìn)行收集后于一次側(cè)進(jìn)行分享，從而監(jiān)視整個(gè)充電過(guò)程，保障無(wú)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(guò)電壓的情況下，仍能保持正常的CC-CV充電狀態(tài)，且整個(gè)充電過(guò)程中電池溫度保持較好的狀態(tài)，滿足電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的安全性標(biāo)準(zhǔn)，表明該系統(tǒng)能夠在電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電時(shí)對(duì)汽車(chē)進(jìn)行全方位的監(jiān)視與保護(hù)，避免事故發(fā)生。