電動汽車無線充電系統的設計與仿真研究

郭進國，魯民巧

（河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054035）

一、無線充電的分類及磁共振式充電原理

1.無線充電的分類

按照無線充電的工作原理來劃分,無線充電大致可以分為三種類型：它們分別是磁輻射式、磁感應式和磁共振式。三種常用無線充電方式的技術特性如表1 所示。

表1 三種常用無線充電方式的技術特性對比

通過對表1 的分析，結合電動汽車無線充電所需的高功率、高效率、適中距離和高可靠性的充電特性，本文采用磁共振式無線充電系統作為研究對象。

2.磁共振式無線充電的原理

磁共振式無線充電是以電磁場為能量的傳播媒介，通過發射端和接收端組成的強電磁耦合機構來實現電能的無線傳遞。其工作原理如圖1 所示。

圖1 磁共振式無線充電的工作原理簡圖

眾所周知，對于一個普通的耦合機構而言，如果發射端和接收端的諧振頻率不一致，發射端和接收端一起只能組成一個松耦合機構，松耦合機構的電能傳輸功率和傳輸效率都很低，不適合用于電動汽車的無線充電系統。電動汽車的無線充電系統需要一個強電磁耦合機構來實現電能的快速、高效傳輸。

電動汽車磁共振式無線充電系統由地面發射端和車輛接收端兩部分構成。在地面發射端，工頻整流器把220V、50Hz 的工頻交流電轉換為直流電，然后高頻逆變器將直流電逆變成無線充電系統工作所需頻率的交流電，并以此來激勵地面發射端的發射線圈，地面發射端一側補償電路的作用是調整發射線圈的諧振頻率，使其與高頻逆變器的驅動頻率達到一致。車輛接收端的接收線圈通過電磁互感，在接收線圈中感應出電動勢，進而產生電能。車載接收端一側補償電路的作用是使接收端的諧振頻率與發射端保持一致，高頻整流器將接收線圈中感應出的交流電轉換為無線充電所需的直流電，從而給電動汽車的電池組充電。通過這種工作方式，發射端和接收端共同組成一個強電磁耦合機構，這個強電磁耦合機構就能實現電能的快速、高效無線傳輸。

磁共振式無線充電技術有著傳輸距離合適、傳輸功率和傳輸效率等級高、抗干擾能力強等優點，最適合電動汽車無線充電系統的使用。

二、電動汽車磁共振式無線充電系統的電路設計和仿真建模

磁共振式無線電能傳輸系統主要有以下三部分構成：（1）電磁耦合機構；（2）補償電路；（3）開關電源控制器及控制方法。

電磁耦合機構主要研究耦合線圈的形狀、匝數、材料和排列設計等，它是實現無線電能傳輸的關鍵機構，它決定著無線充電系統傳輸功率的大小和傳輸效率的高低。補償電路可分為基本補償電路和高階補償電路兩類。基本補償電路只需要一只電容器就可以補償掉耦合線圈的自感，并使地面發射端和車輛接收端構成的諧振系統具有相同的工作頻率，根據耦合線圈和電容的連接形式不同，可以組合成四種基本的補償電路：（1）串-串（Series-Series，簡稱SS）；（2）串-并（Series-Parallel，簡稱SP）；（3）并-串（Parallel-Series，簡稱PS）；（4）并-并（Parallel-Parallel，簡稱PP）。目前，已有許多科研人員對于四種基本補償電路的功率、效率、電壓和電流增益、電壓輸出特性和抵抗線圈偏移等特性進行了深入研究，四種基本補償電路都存在著恒壓或恒流輸出特性不足的問題。為了克服以上問題，人們提出了許多不同形式的高階補償電路。本文也提出了一種適合中、小型電動汽車無線充電系統使用的雙邊LCC型補償電路。

開關電源控制器主要包括高頻逆變器和整流器兩部分，通過選用驅動頻率合適的高頻逆變器以及橋式整流器，結合優秀的控制方法，能夠解決系統的阻抗和工作狀態之間的關系問題，解決系統輸出特性與負載阻抗的關聯問題，力爭實現系統輸出特性和負載阻抗無關。

本文提出了一種基于單線圈雙邊LCC 型補償電路的無線充電系統，其基本電路設計圖如圖2 所示。

圖2 單線圈雙邊LCC 型無線充電系統電路圖

這種單線圈雙邊LCC 型補償電路無線充電系統主要由交流電源、工頻整流器、高頻逆變器、諧振系統、高頻整流器和負載電阻等組成。

交流充電電源來自于220V、50Hz 的工頻交流電，D1～D4組成的整流二極管組把工頻交流電整流成直流電，Q1～Q4組成高頻逆變器，高頻逆變器把直流電逆變成諧振系統工作所需的高頻交流電，U1為高頻逆變器的輸出電壓。諧振系統包含發射端諧振系統和接收端諧振系統兩部分，發射端諧振系統由發射線圈L1和補償電容C1、C2組成，接收端諧振系統由接收線圈L2和補償電容C3、C4組成，M 為發射線圈和接收線圈之間的互感，當高頻逆變器的驅動頻率與系統的諧振頻率一致時，發射端呈現純阻性阻抗，發射線圈受到高頻逆變器輸出電流的激勵在其周邊產生磁場，接收端的接收線圈處在該磁場中，產生感應電動勢，這樣電網電能就能從發射端無線傳輸到了接收端，感應電壓U2通過D5～D8組成的高頻整流器變成直流電，再通過濾波電容C5濾除雜波，進而提供穩定的直流電給電池組供電。

三、單線圈雙邊LCC 型無線充電系統的仿真分析

為了分析線圈的耦合系數和負載阻值對單線圈雙邊LCC 無線充電系統傳輸功率和傳輸效率的影響，我們利用MATLAB 軟件中的SIMULINK 仿真平臺，建立了單線圈雙邊LCC 型無線充電系統的仿真模型，并對仿真的結果進行分析。表2 為單線圈雙邊LCC 型無線充電系統的結構仿真參數。

表2 單線圈 雙邊LCC 型無線充電系統的結構仿真參數

通過MATLAB 軟件提供的SIMULINK 仿真模塊進行分析，我們發現耦合線圈的電磁耦合系數和系統的負載阻值對電能無線傳輸的功率和效率有著重要的影響。其中電磁耦合系數對無線傳輸功率和傳輸效率的影響曲線如圖3 和圖4 所示，負載阻值對無線傳輸功率和傳輸效率的影響曲線如圖5 和圖6 所示。

圖3 電磁耦合系數對傳輸功率的影響

圖4 電磁耦合系數對傳輸效率的影響

圖5 負載阻值對傳輸功率的影響

圖6 負載阻值對傳輸效率的影響

通過圖3 所示的曲線我們可以看出，隨著耦合線圈電磁耦合系數的增加，傳輸功率先是快速上升，然后到達最大值后緩慢下降，下降的速度相比之前上升的速度明顯較小。當線圈的電磁耦合系數位于0.2附近時，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統可以獲得較高的傳輸功率。

從圖4 我們可以看出，隨著線圈電磁耦合系數不斷增加，整個系統的傳輸效率快速上漲，并在到達一定的數值后，系統的傳輸效率開始趨于穩定。當線圈的電磁耦合系數高于0.2 時，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統將獲得80%以上的電能傳輸效率。

通過圖5 所示的曲線我們可以看出，負載阻值在大于85Ω時，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統最大傳輸功率可以達到3 kW 以上，目前中、小型電動汽車的電池容量在18 kWh 左右，而要保證其充電時間在6 小時以內，其充電功率應大于3 kW，因此對于中、小型電動汽車無線充電而言，單線圈雙邊LCC型無線充電系統能夠滿足它們的日常無線充電要求。

從圖6 我們可以看出，當負載阻值在60 Ω～100 Ω之間變化時，單線圈雙邊LCC 型無線充電系統都能達到80%以上的電能傳輸效率，能夠滿足電動汽車無線充電系統對傳輸效率的一般要求。

四、結論

項目組設計的單線圈雙邊LCC 無線充電系統的電磁耦合系數在0.2 附近，負載阻值達到85Ω以上時，設計的無線充電系統都能達到3 KW 以上的充電功率和80%以上的充電效率，滿足了大部分中、小型電動汽車日常無線充電的需求。