電動汽車無線充電系統(tǒng)設計方法研究

作者 焦來磊1 荊蕾2 1.中惠創(chuàng)智無線供電技術有限公司(山東 煙臺 264000)2.煙臺大學文經學院信息工程系(山東 煙臺 264000)

摘要：本文提出了一種基于磁耦合諧振的電動汽車無線充電系統(tǒng)的設計方法。首先介紹了磁耦合諧振式無線充電技術的傳輸機理;其次提出系統(tǒng)的整體設計結構、DC-DC斬波電路和單相全橋逆變電路的設計方法;再次，設計了三段式電池充電管理系統(tǒng);最后完成以ARM單片機為控制核心的系統(tǒng)設計。實驗證明，該系統(tǒng)具有優(yōu)異的充電性能和廣泛的可推廣性。

引言

　　自從2007年美國麻省理工學院(MIT)的Marin Soljacic教授等人利用磁耦合諧振技術成功地在2m外點亮一只60W的燈泡[1-2]，無線電能傳輸技術(wireless power transfer，WPT)開始得到世界研究機構越來越多的關注。

　　目前，WPT技術主要有3種，即電磁輻射式、電磁感應式和磁耦合諧振式。輻射式無線電能傳輸^[3]利用遠場進行傳輸，其傳輸距離遠大于傳輸裝置的幾何尺寸，但是其定向性較差，且傳輸功率一般比較小。電磁感應式無線電能傳輸機理^[4]類似于可分離變壓器，只有在較短的距離下才能實現較大功率和較高效率的傳輸。而磁耦合諧振式無線電能傳輸(magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)利用諧振原理，使其在中等距離傳輸時，仍能得到較高的效率和較大的功率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響^[5]。MCR-WPT在傳輸距離、傳輸功率以及傳輸效率上均衡的性能表現，使其特別適用于電動汽車無線充電領域^[6-7]。

1 系統(tǒng)理論分析

　　系統(tǒng)采用串聯-串聯式諧振結構，等效電路如圖1所示。其中，U_s為高頻交流電源，C_p、C_s分別為原、副邊諧振電容，L_p、L_s分別為原、副邊線圈自感，M為原副邊線圈之間的互感，R為負載電阻，I_p、I_s分別為原、副邊電流，ω₀為系統(tǒng)諧振頻率，R_p、R_s為線圈等效內阻，Z_L為電池等效內阻。

　　根據互感耦合模型，得到單負載系統(tǒng)等效電路的狀態(tài)方程：

　　系統(tǒng)傳輸效率為：

(6)

　　由式(5)可知，系統(tǒng)輸出功率主要由初級繞組內阻和次級反映阻抗的實部、虛部共同決定，其中涉及包括工作頻率、諧振電容、電感、內阻等一系列參數。 由式(6)可知，系統(tǒng)傳輸效率由初級側內阻和次級反映阻抗實部共同決定。隨著反映阻抗實部R_P-S的逐漸增大，傳輸效率也在逐漸增大。

2 系統(tǒng)整體設計

　　系統(tǒng)的整體結構框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用220V、50Hz交流電源供電，經全橋不控整流電路、DC-DC降壓斬波電路和高頻全橋逆變電路，與發(fā)射端諧振電容和發(fā)射線圈連接，接收線圈在諧振磁場中產生高頻感應電壓，經整流電路轉化為直流電，給電動汽車蓄電池充電。車載充電機通過藍牙模塊與電能發(fā)射端通信，通過實時控制DC-DC直流斬波電路輸出電壓，調整電池充電功率。

3 系統(tǒng)主電部分電路設計

3.1 DC-DC斬波電路設計

　　DC-DC調壓電路主要有BUCK、BOOST、CUK等電路結構。本文采用BUCK降壓斬波電路：降低逆變電路輸入電壓，提升逆變電路電流幅值，容易檢測電流變化情況，雖然線損與其他電路相比有一定提高，但與系統(tǒng)輸出功率等級相比提升極其微小。BUCK電路具有電路結構簡單、效率高，紋波可調節(jié)，動態(tài)性能好等優(yōu)勢，因此，本系統(tǒng)采用BUCK電路做為DC-DC環(huán)節(jié)的主電路拓撲。

3.2 全橋逆變電路設計

　　工程中常用的逆變電路主要有：全橋逆變電路和半橋逆變電路。全橋逆變電路的功耗元件是半橋逆變電路的兩倍，所以整個電路的功耗也近似是半橋逆變電路功耗的兩倍，但是全橋逆變電路的電壓等級卻比半橋逆變電路要高，考慮到電源電壓的功率等級，選擇全橋逆變電路為系統(tǒng)原邊電路的高頻逆變單元。