电动汽车无线充电原理分析
2014-03-23,,
, ,
(1.沧州师范学院 物理与电子信息系,河北 沧州 061001;2.石家庄铁道大学 电气与电子工程学院,河北 石家庄 050043)
0 引言
对于采用谐振感应耦合的无线电能传输电路的探讨已有不少文章，在对其进行分析时均以电阻作为无线电能传输电路的负载[1-4]。但对于电动汽车的无线充电电路，它的负载则不是电阻负载而是蓄电池，既反电势负载，这种负载和电阻负载相比具有一定的特殊性。由于文献[5]通过对各种谐振感应耦合电路的分析，指出与其他拓扑方式相比，主、副边互感线圈均采用串联谐振感应耦合的拓扑方式时，负载可以从电源端获得最大的功率。所以本文就一款主、副边互感线圈均为串联谐振感应耦合的电动汽车无线充电原理电路进行分析，得出了这种电路在稳态工作时输出功率和传输效率与电路参数的关系，经对蓄电池电压与交流电源电压之比E/Ui的优化得出了经优化后的电路输出功率和传输效率与电路参数的关系，并通过仿真实验进行了验证。此结果可以为电动汽车在行进中充电打下基础。
1 充电电路的传输功率及效率分析
图1 串联谐振感应耦合的充电电路
(1)
图2 感应耦合回路的输出电压的波形
对式(1)进行傅里叶级数分解，可得u0的基波及其有效值的表达式为
(2)
由此可建立充电电路拓扑中互感耦合线圈L1、L2的回路电压方程为
(4)
(6)
其有效值为
(7)
(8)
其有效值为
(9)
由于互感线圈L1、L2在稳定工作时处于谐振状态时回路电抗X1=X2=0，由式(9)，再结合式(3)可解得
(10)
同理在式(7)中令X2=0，将式(10)代入，即可解得
(11)
式中,R20=R2+R0为互感线圈的直流电阻和蓄电池的内阻之和。由式(10)可以看出，若要I2>0，既充电电路能够向蓄电池提供电能，则必须满足条件
(12)
在满足上述条件的情况下，交流电源在稳定工作时Ui提供的功率(其实为视在功率)为
(13)
而充电电路给蓄电池充电的功率为
(14)
那么，充电电路的电能传输效率则为
(15)
从式(14)、式(15)可见，充电电路向蓄电池的充电功率P和电能传输效率η除与电路参数R1、R2、ωM有关外，还和蓄电池电压E与交流电源电压Ui的比有关。可以通过优化E/Ui的值，使效率η达到极大值。
(16)
在满足条件
R1R20≪ω2M2且R20≪ωM(17)
的情况下可得优化后的E/Ui
(18)
将式(18)代入式(14)可得优化后的充电电路输出功率为
(19)
将式(18)代入式(15)式可得优化后系统的最大电能传输效率则为
(20)
在满足式(17)的情况下，将式(19)、式(20)联立便可得到充电电路输出功率P与传输效率η的关系为
(21)
2 仿真实验结果
图3 充电电路输出功率和效率与耦合系数的关系 图4 充电电路的输出功率与传输效率的关系
3 谐振回路中储能元件上的电压分析
由于系统在稳定工作时处于电压谐振状态，两个互感线圈L1、L2及其补偿电容C1、C2上会有较高的电压。由式(14)有
(22)
将此式与式(10)联立，在R1R2≪ω2M2时，可得一个一元二次方程
(23)
(24)
结合式(22)、式(24)，互感线圈L2上的电压为
(25)
在式(7)中,令X2=0，结合式(3)并设R2I2≪U01，则
再结合式(24)，互感线圈L1上的电压为
(26)
可见充电电路稳定工作时,在满足式(17)的情况下，系统中两个互感线圈上的电压取决于电路的输入电压Ui和输出电压U01，且耦合系数k减小会使输出功率增大，但同时使电能传输效率下降和互感线圈上的电压增大。
4 结论
经对电动汽车的蓄电池电压与输入交流电源电压之比的优化，在电动汽车无线充电电路的两个互感线圈的耦合系数k较小的情况下，仍然可以实现无线充电，并且可以获得足够的充电功率和电能传输效率，其条件就是两个互感线圈的电流回路处于谐振状态，且回路电阻R1、R20足够小。这一结果可以为电动汽车在行进中充电打下基础。存在的问题是两个互感线圈和它们的补偿电容上的电压较高，因而对绝缘的要求会比较高。
参 考 文 献
[1]孙跃，夏晨阳，戴欣，等.CPT系统分析与参数优化[J].西南交通大学学报，2010,45(6)：836-842.
[2]赵彪，陈希有，余庆广.用于非接触电能传输的自适应谐振技术原理[J].电工电能新技术，2010,29(2)：33-37.
[3]杨民生，王耀南，欧阳红林.无接触电能传输系统的补偿及性能分析[J].电力自动化设备，2008，28(9)：15-18.
[4]武瑛，严陆光，徐善纲.新型无接触点能传输系统[J].中国电机工程学报，2004,24(5)：63-66.
[5]孙跃，夏晨阳，戴欣，等.感应耦合电能传输系统互感耦合参数的分析与优化[J].中国电机工程学报，2010,30(33)：44-50.
