基于微网的电动汽车无线充电系统研究

肖朝霞 刘 杰

（天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387）

1 引言

电动汽车（Electric Vehicles，EV）作为加快能源转型、实现低碳经济的重要途径，引起了越来越多国家的重视，汽车的电气化是未来发展的必然趋势[1-2]。然而，电动汽车充电问题一直是制约电动汽车发展的关键性问题之一。目前，电动汽车普遍采用的充电方式是利用充电桩或充电站通过导线与电网进行有线连接(即电缆连接)，从电网获取电能为电动汽车进行常规充电、快速充电和换电，但是有线的充电方式存在易产生火花、易磨损、不易维护、不够灵活等弊端[3]。

无线电能传输技术[4-5](Wireless Power Transmission,WPT)由于采用非接触式传输电能，弥补了传统直接接触供电方式的弊端，具有很多优点。目前，无线电能传输方式主要有电磁感应式[6]、磁耦合谐振式[7]和微波辐射式[8]三种。本文采用磁耦合谐振式无线电能传输技术，由于其利用近场电磁波进行能量交换，是一种非辐射性、高效、支持较大功率、中距离输电的新型技术,故该技术一经出现便应用于电动汽车充电领域。文献[9]就磁场谐振耦合的无线电力传输装置的实验模型进行研究，文献[10]对无线电能传输技术的基础理论及工程应用进行研究。

此外，随着电动汽车的不断推广，大规模的电动汽车接入电网势必会对电网的安全产生影响，而且根据我国电力系统的能源利用现状，通过电网对电动汽车充电，所产生的碳排放量并不比传统燃油汽车更低，并且也难以降低对传统化石燃料的依赖。相对于传统大电网而言的微网，集成了分布式电源（Distributed Generation,DG）（光伏、风力、微型燃气轮机等）、负荷、储能系统和控制装置构成独立的系统，既可以独立向小型区域提供电能和热能，又可以通过电力电子接口与传统电网连接并网运行，向大电网提供电能或从大电网吸取电能。

采用微网利用新能源为电动汽车供电，不仅能够有效减小大规模电动汽车充电对电网产生的威胁，同时能够对新能源进行就地消纳，做到真正的‘零排放’，有助于提高能源系统整体运行的经济和环境效益。文献[11]提出了一种利用可再生能源和电动汽车进行电能传输分配的新型直流微电网。文献[12]设计了一种基于太阳能发电的“多端口充电”直流微网，可满足插电式混合动力轿车和高尔夫场地电动车充电需要。

将微网与无线充电技术相结合应用到电动汽车充电系统中，可有效降低电动汽车充电对电网的冲击，同时解决了有线充电带来的一系列问题。本文在对整个系统建模的基础上，利用Matlab/Simulink进行了仿真分析，其结果进一步验证了系统设计的可行性。此外，本文对电动汽车无线充电系统进行了设计，并通过实验进行了验证。仿真和实验结果表明，研究微网为电动汽车无线充电具有重要意义和广泛的实用价值。

2 采用微网的电动汽车无线充电系统

实验系统结构如图1所示，该结构由微网系统、无线电能传输系统、电动汽车充电系统三部分共同组成。微网为无线电能传输系统提供所需电能，无线电能传输系统将电能传到电动汽车上，根据电动汽车充电需求为车载电池进行充电。

图1 微网为电动汽车无线充电整体结构图Fig.1 The integral structure of electric vehicles wireless charging based on micro-grid

2.1 微网系统

微网系统如图1a所示，该系统采用清洁高效、安置方便的光伏与蓄电池组合，因此可有效解决光伏发电功率受光照和温度变化的影响。光伏系统直接与直流母线连接，蓄电池通过双向 DC-DC并联在直流母线上，光伏的最大功率跟踪和蓄电池充放电由蓄电池侧的DC-DC完成，采用的控制器如图2所示。当电动汽车在白天充电时，将光伏最大功率跟踪电压Vmpp作为DC-DC升压的参考电压，通过光伏和蓄电池的协同工作，使光伏最大功率输出。夜间充电时,电动汽车只采用蓄电池充电。

图2 MPPT控制策略结构图Fig.2 The structure of MPPT control strategy

2.2 无线电能传输系统

图3a所示为电动汽车无线电能传输系统实际等效电路，采用 SS型电路拓扑结构，它具有谐振频率不受源、副边耦合系数的影响，且更容易实现大功率传输的特点。图中，L1和R1分别为源边电感和电阻，Cr1为谐振电容，与L1产生谐振，其频率值与逆变器开关频率相等。因此，L1与Cr1产生的阻抗为零。

图3 无线电能传输系统等效电路Fig.3 Equivale circuits of proposed power transmitter system

根据基尔霍夫电压定律(KVL)和欧姆定律，对图3a所示模型进行电路分析，可得到如下矩阵

式中，M为源边与副边之间的互感，由于存在较大空隙，故其值很小。

图3b所示为系统处于谐振状态下的等效电路。电感量与电容量相互抵消，等效电路中仅存在电阻，电路方程如下

因此可见，应用谐振电容可消除电感量 L1和L2，同时系统整个阻抗也显著减小。在实际电动汽车无线电能传输系统设计中，高频逆变器输出频率和线圈固有谐振频率保持一致，从而实现高效的能量传输。

图4所示为高频逆变装置DC-AC。它将来自微网的直流电压逆变成 100kHz的高频交流电为无线电能传输线圈部分供电。

图4 高频逆变装置Fig.4 High frequency inverter device

收发线圈的优化设计是电动汽车无线电能传输系统设计的核心部分，直接决定着无线电能传输的成功与否和传输的功率、效率。设计时需要满足：保持相同的固有谐振频率；具有较高的Q值。除此之外，还要涉及尺寸大小、线圈直径、线圈线径、线圈材质、线圈周长等因素。在设计过程中，某些因素往往是相互影响的，因此参数的确定顺序以及优化非常重要。

本文设计的电动汽车收发线圈采用 Litz线绕制，它包含多股细铜线可有效减小电流的趋肤效应引起的电阻，从而降低系统损耗，图5为收发线圈结构。

图5 发射、接收线圈结构Fig.5 The structure of wireless transmitting and receiving coils

2.3 电动汽车电池充电系统

电动汽车充电系统如图1c所示，该部分及无线接受线圈均安放在电动汽车上，AC-DC模块将接收到的高频电压整流、滤波变换成直流电，最后通过DC-DC控制器根据车载电池的需要为车载电池进行快速或慢速的恒压或恒流充电。

根据车载电池充电特性设计控制策略如图6所示。当车载电池端口电压较低时采用恒电流控制（图6b），随着车载电池电能增多，充电状态（SOC）发生变化，车载电池端口电压升高，当达到95%的车载电池额定电压时，由恒电流充电转换为恒电压充电图（6c）。当车载电池电压达到其最大电压且充电电流小于其最小电流时，蓄电池充电已满，停止充电。

图6 电动汽车电池充电控制器Fig.6 Electric Vehicles battery charging control

3 仿真与实验结果分析

为了验证系统设计的合理性，本文使用 Matlab/Simulink软件对图1所示的微网为电动汽车无线供电系统进行仿真。仿真参数如表所示。

表 仿真参数

图7a为光照强度为200W/m2，温度为25℃时，光伏在蓄电池配合下，光伏输出功率维持最大功率跟踪Pmpp，直流母线电压（光伏输出电压）维持最大功率跟踪电压Vmpp。图7b为夜间充电时，蓄电池为其供电，直流母线电压维持在500V。

图7 微网为电动汽车无线充电系统仿真结果Fig.7 Simulation results of electric vehicles wireless charging system based on micro-grid

由于光伏输出的为直流电，相较于电网供电省去了整流器的使用，减少了由于电力电子器件的使用而产生的谐波等问题，同时也减少了系统的成本，高频逆变器 DC-AC将来微网直流电压直接逆变为100kHz的高频电压，为无线电能传输部分提供电能。图7c为经高频逆变之后的电压、电流。

无线供电部分作为能量传输的关键部分，在整个的系统中起到至关重要的作用，对谐振式无线电能传输部分的参数进行优化，电能的传输效率能够到达 80%以上，图7c、图7d为无线发射端与接收端的电压/电流波形。

电动汽车的车载电池参数采用日系leaf模拟仿真，电动汽车上的控制系统将无线接收端接收到的100kHZ的高频电压经AC-DC模块整流、滤波成直流如图7e，最后通过 DC-DC器得到满足电动汽车电池充电需要的电压为其充电。仿真结果所示如图7f。仿真结果证明了整体系统结构的可行性。

为了进一步验证系统设计的可行性，本文对无线电能传输部分做了实验研究。如图8所示为当发射端与接收端间距为35cm时，无线电能传输实验系统发射、接收电压。图中所示曲线为通过通道间具有隔离措施的TPS2014示波器测量到的发射端与接收端的电压曲线。测量结果显示后者落后前者π/2个电角度，该结果与理论研究中中系统发生谐振时的电压增益关系相吻合。

图8 无线电能传输实验系统发射、接收电压Fig.8 The experimental system of wireless transmitting and receiving coils voltage

由远及近改变发射线圈与接收线圈的距离（10～135cm），测量输入输出端电压和电流，对系统传输效率进行计算。图9为系统在频率固定和频率跟踪两种情况下效率-距离关系曲线。由跟踪曲线可知：无线电能传输系统加入频率跟踪控制可有效提高系统传输效率。图中A点为无线电能传输系统的临界耦合点，该点所决定的范围即是“电能有效传输范围”。

图9 频率固定和频率跟踪两种情况下效率-距离关系曲线Fig.9 Efficiency-distance characteristic curve with/without frequency tracking

4 总结

相较于传统的大电网通过有线连接(即电缆连接)方式为电动汽车进行充电，本文提出了一种利用微网为电动汽车无线充电的新技术。为证明系统的正确性与合理性，应用Matlab/Simulink对基于微网的电动汽车无线充电系统研究进行了仿真，仿真结果表明光伏与蓄电池组合在白天工作于MPPT模式供电，夜间蓄电池处于单独放电模式供电，均能通过无线电能传输实验系统为电动汽车提供较为稳定的电压。无线传能传输部分搭建的实验系统表明了其可行性。仿真和实验结果表明利用微网为电动汽车无线充电将具有重要应用前景。

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