电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统研究

方楚良，沈锦飞

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)



电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统研究

方楚良，沈锦飞

(江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122)

摘要:电动汽车无线充电是一个热门研究方向。依据磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计了一种磁耦合谐振式无线充电装置，对传输功率以及传输效率影响因素进行了分析，并给出了系统设计。最后制作了一台功率为1 kW，磁耦合谐振频率70 kHz的电动汽车无线充电实验装置。样机实验结果表明系统稳定，运行效果理想。

关键词：电动汽车；磁耦合谐振；等效模型；无线充电

0　引　言

电动汽车具有较低的环境污染，同时可以较好地解决化石能源短缺的问题，因此是低碳经济中非常重要的一个环节。电动汽车的充电一直是研究热点，随着电动汽车的发展，便捷多样的充电方式越来越受欢迎。目前电动汽车多采用有线充电式，充电时间较长，占用空间大，同时频繁拔插电源电线既不安全，也容易造成设备老化磨损[1]。而无线电能传输技术使用方便、安全，设备积尘较少，且无接触损耗、机械磨损和相应的维护问题，因此无线充电技术在电动汽车的应用受到越来越多的关注。

现阶段无线电能传输主要有三种技术：感应耦合技术、磁耦合谐振技术，以及远场辐射技术。其中感应耦合技术原理简单，实现容易，但是传输距离很短，线圈位移以及频率变化对传输效率的影响较大。远场辐射技术通过激光束方式传播电能，目前的研究依然处在理论阶段，同时这种无线电能传播方式不适用于电动汽车无线充电[2]。而磁耦合谐振式无线充电技术是中等距离的无线电能传输技术，在空间相对位置下能量损耗小，且传输稳定，同时电磁辐射对人体的影响极小[3]，因此电动汽车采用磁耦合谐振式无线充电技术是一个高效率、安全、稳定的选择。

1　磁耦合谐振式无线充电等效模型分析

根据磁耦合谐振式无线电能传输相关理论，传输系统由发射线圈、接收线圈以及各自的谐振电容串联组成两侧的谐振电路，且具有相同的谐振频率，在波长范围内，通过磁耦合，进行能量传输[4，5]。传输系统等效模型如图1所示。其中L1为发射线圈电感，L2为接收线圈电感，C1、C2为两侧对应的谐振电容，M为两线圈的互感，R1、R2为发射线圈和接收线圈的等效电阻，RL为负载等效电阻。

图1 传输系统等效模型

由基尔霍夫电压定律(KVL)对等效模型列方程可得：

(1)

式中，

(2)

由式(1)及式(2)求得：

(3)

据此可计算发射端阻抗为：

(4)

根据式(3)的结果求得电源功率PE与负载功率PL为：

(5)

由式(5)求得系统传输效率为

(6)

由式(5)及式(6)可看出，当线圈参数以及谐振电容确定后，系统传输功率以及传输效率只与ω以及d有关，即只与频率与线圈距离有关，与发射线圈和接收线圈的横向错位无关[6]。因此，在无线电能传输中，应使电路始终处于谐振状态，使其在发射线圈和接收线圈具有横向错位时可保持相对最优传输功率。

2　磁耦合谐振式无线充电系统设计

电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统构成如图2，一般采用车底充电，即发射端安装于地下，发射线圈水平放置于地面，接收端安装于电动汽车上，接收线圈置于车底。发射线圈与接收线圈距离为d，二者横向错位距离为l。输入电源经过能量变换通过发射线圈，使发射线圈产生谐振，从而与接收线圈产生磁场耦合，实现电能传输。然后在接收端通过能量调理将电能传输至超级电容储能。

磁耦合谐振式无线电能传输系统框图如图3，系统分为主电路和控制电路两部分。

图2 电动汽车无线充电系统框图

图3 系统框图

在控制电路部分，功率调节采用直流斩波调功，调节斩波器开关管的导通时间就可得到介于0～Ut之间的电压。发射端谐振回路电流I1通过反馈电流检测电路变换成同频率的方波电压，经频率跟踪电路产生频率跟踪信号，输入PWM信号产生电路，产生所需谐振频率的PWM控制信号，经驱动电路控制全桥逆变电路的开关管。同时为防止全桥逆变电路上下桥臂直通短路，在上下桥臂的驱动信号间保留了很小的死区，因此发射端电路工作在感性状态，即电压U1超前电流I1，实现零电压开通及小电流关断。

3　实验与分析

设计并制作了一台功率1 kW的小型电动车磁耦合谐振式充电装置，如图4所示。发射线圈与接收线圈均为30匝，半径为0.2 m，背面采用正方形导磁片拼接，导磁片边长为0.1 m，谐振补偿电容C1=C2=30 nF，发射端与接收端传输距离为d=0.25 m，小车采用多个超级电容串联进行储能。在小车上安装传感器使其在轨道上做往返匀速运动，小车上的数码管显示超级电容的储能电压。系统传输频率为69.4 kHz。当发射线圈与接收线圈处于对准位置时，即二者横向错位l=0时，传输功率取得最大值，为0.92 kW，此时发射端输出功率1.08 kW，传输效率为85.18%。

图4 小型电动汽车磁耦合谐振式充电装置

发射线圈和接收线圈横向错位l=10 cm时，发射端输出电压U1、输出电流I1，以及接收端输出电压U2、输出电流I2波形如图5所示。

图5 发射线圈及接收线圈电压电流波形

由波形图可见发射端输出电压近似方波，发射端接收端输出电流近似正弦波，发射端的电压U1超前电流I1，电路工作于感性负载状态。

4　结束语

本文通过对磁耦合谐振式无线电能传输原理及模型分析，设计了充电系统，并给出了工作过程，当合理选择系统参数时，电能传输的效果较好。由实验可见，所设计的电动汽车磁耦合谐振式无线充电器工作稳定，具有一定的实际应用价值。

参考文献：

[1]王振亚，王学梅，张波，等. 电动汽车无线充电技术的研究进展[J]. 电源学报，2014，(3)：27-32.

[2]杨庆新，陈海燕，徐桂芝，等. 无接触电能传输技术的研究进展[J]. 电工技术学报，2010，25(7)：6-13.

[3]曹玲玲, 陈乾宏, 任小永，等. 电动汽车高效率无线充电技术的研究进展[J]. 电工技术学报，2012，27(8)：1-13.

[4]André Kurs, Aristeidis Karalis, Robert Moffatt. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances [J].Science, 2007, (317)：83-86.

[5]Qiaowei Yuan, Qiang Chen, Long Li,etal. Numerical Analysis on Transmission Efficiency of Evanescent Resonant Coupling Wireless Power Transfer System[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION，2010，58(5)：1751-1758.

[6]Junhua Wang , Jiangui Li , S L Ho,etal. Lateral and Angular Misalignments Analysis of a New PCB Circular Spiral Resonant Wireless Charger[J]. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,2012, 48(11):4522-4525.

[7]Takehiro Imura, Hiroyuki Okabe, Toshiyuki Uchida,etal. Study on Open and Short End Helical Antennas with Capacitor in Series of Wireless Power Transfer using Magnetic Resonant Couplings[J]. IEEE, 2009,(09):3848-3853.

沈锦飞(1955-)，男，教授，主要研究方向：电力电子与电力传动。

研制开发

Research on Magnetic Coupling Resonant Wireless Charging System for Electric Vehicle

FANG Chu-lang, SHEN Jin-fei

(College of Internet of Things, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)

Abstract:Wireless charging for electric vehicle is a hot research topic. A wireless charging system is designed based on the principle of magnetic coupling resonant wireless power transmission. Elements influencing power and efficiency of transmission are analyzed, and system design considerations are presented. A 1 kW 70 kHz charging device is designed. Experimental results show that the system works stably and has a good effect.

Key words:electric vehicle; magnetic coupling resonant; equivalent model; wireless charging

中图分类号：TM646

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0029-03

作者简介：方楚良(1989-)，男，江苏无锡人，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。

基金项目：江苏省产学研创新 (BY2012069)。