基于ICPT的电动汽车无线充电系统研究

湖南铁道职业技术学院　高巧玲



基于ICPT的电动汽车无线充电系统研究

湖南铁道职业技术学院高巧玲

【摘要】随着全球能源短缺及日益加重的环保问题，以电能来代替其它能源的运输工具——电动汽车的发展越来越快，而电动汽车的发展最大的瓶颈就是充电技术的发展，传统的有线充电需要人工插拔，充电电压高，电流大存在很大的安全隐患，而无线电能传输因能解决电气设备的灵活性、安全及环保问题而备受关注。文章主要介绍基于感应耦合电能传输（ICPT）的电动汽车无线充电技术，并针对电动汽车充电的要求，设计了基于ICPT的电动汽车无线充电装置。

【关键词】ICPT；无线电能传输；电动汽车无线充电

0　引言

感应耦合电能传输（ICPT）是无线电能传输（WPT）的一种,目前WPT主要有辐射式电能传输、谐振式传输和感应式传输3种，辐射式传输距离远，但效率低，传输功率小，功率等级为毫瓦级；谐振式传输传输距离远，但发展较晚，技术不成熟；感应式传输传输功率大，效率较高，是最适合应用于电动汽车的无线电能传输。ICPT通过松耦合变压器将电能非接触式地传输给负载，松耦合变压器是ICPT系统传输的主要部件，它可通过传统变压器进行改造，实现两侧分离，因松耦合变压器初次级之间存在很大的气隙，耦合系数低，漏感大，为了提高它的传输能力，首先通过高频逆变将工频信号转换成高频信号，其次在变压器的初次级增加补偿电容构成谐振变换器。目前的电动汽车充电技术，主要是通过电缆将蓄电池和充电站连接，因电动汽车充电电压高，电流大，接触点易磨损老化，容易发生触电事故，且在潮湿和恶劣环境下也不能使用，所以本文将ICPT用于电动汽车充电中，因发射部分和接收部分无直接电气连接，操作安全性较高，磨损老化问题较小，使用更安全、可靠、灵活。

1　ICPT系统组成及工作原理

ICPT系统是利用电磁感应原理实现电能的无线传输，其结构如图1所示。

图1　ICPT系统原理框图

系统由发射和接收两部分构成，发射部分主要完成将输入的工频电网电压转换成高频交流电，高频交流电通过耦合器的电磁感应传送到接收部分，接收部分将接收到的髙频交流电转换为直流电后供负载使用。整个系统由一次侧整流滤波模块，高频逆变模块，感应耦合变压器模块，变压器原边及副边线圈的电容补偿模块，二次侧整流和功率调节模块等组成。

系统的基本工作原理如下：

电网发出的工频交流电能经过整流滤波模块转化为直流电，高频逆变器将该直流电逆变为高频交流电，将高频交流电注入到感应耦合变压器的原边，由法拉第电磁感应原理可知，高频的交流电在线圈中产生磁链与副边线圈交链，在副边线圈中产生感应电动势，该感应电动势仍为高频交流电。通过整流滤波模块及功率调节模块将其转化为适应于负载的直流电能。也可将该设备输出的直流电继续逆变从而得到满足交流负载的交流电能。

2　电动汽车无线充电技术

如图2所示，电动汽车无线充电系统也由两部分组成：地面发射系统和车载接收系统。系统工作时，由车载终端负责车辆信息的识别，并与地面端充电设备进行信息交互，确认具体充电需求；由地面端电源装置将220VAC/50Hz 市电转换为高频电流注入地面发射装置，然后由地面发射装置将高频电流转化为高频磁场并发射出去；车载端接收装置通过电磁感应耦合原理接收高频磁场信号，并将其转化为高频电流，然后经车载充电机转化为直流电供给动力电池充电；这个过程中，车载充电机还需要负责电池充电信息的检测和收集，并将数据信息发送到车载充电系统进行显示。

图2　电动汽车无线充电示意图

3　基于ICPT的电动汽车无线充电系统的设计

由于电动汽车无线充电系统中原副边线圈分别位于地面和车内，距离较大，原副边线圈气隙大，漏磁大，耦合系数低。因此设计时，该系统必须考虑以下几点：高频工作、耦合器采用谐振技术、开关器件的软开关能力、合理的充电距离、偏差适应性、优化控制方式和宽负载的工作范围。根据系统组成，可知ICPT系统电路图如图3所示，由图3可知，系统由功率变换模块——初级整流滤波电路、高频逆变电路、次级整流滤波电路，原副边补偿模块、耦合器变压器模块构成。

图3　ICPT系统电路图

3.1功率变换模块

功率变换模块的主要作用是将从电网获得的50HZ工频交流电转化为10-500KHZ的高频交流电，它是整个系统的关键环节。

3.1.1拓扑分析

按主电路拓扑结构的不同将各种功率变化器分为反激式、半桥式、全桥式和推挽式。反激式功率变换电路一般采用单管变换，应用在功率仅需几十毫安的较小功率的装置中，半桥或全桥式功率变换电路一般应用于几十瓦到几百瓦的功率装置中，推挽式功率变换电路一般用于功率等级较高装置中，根据电动汽车的功率需求，选择全桥式功率变换电路，如图4所示：

图4　全桥式电路

3.1.2器件选择

由于ICPT系统变压器自身传输效率不高的特点，更要求功率变换电路的低损耗性，功率器件的选择显得尤为重要。一般选择功率开关管的条件如下：（1）额定电压必须高于浪涌电压，并且留有一定的电压余量。（2）额定电流必须高于流过开关管的峰值电流及开关管工作于安全范围内。（3）散热能力好。（4）损耗小。为满足这四个条件全桥逆变电路选用MOSFET作为功率管。且采用软开关方式控制开关管的开断。

3.2感应耦合变压器

由于耦合器工作在高频情况下，为了减小趋肤效应，选择导线为多股漆包线并饶的利兹线。根据电动汽车在不同的情况下充电，可以分为：（1）驻车充电，指电动汽车停放在充电位置上进行静态充电。（2）公交站台无线充电，指电动公交车利用站台处地面铺设的无线充电系统发送装置，在站台停靠时间为公交车补充电量。（3）行车充电，指电动汽车在行驶时进行充电。需在特定的道路上铺设无线发射装置。（4）智能电网充电，指电动汽车充电装置纳入智能电网运行控制中，可根据区域内电网负荷情况，对电动汽车无线充电进行智能控制，改善电网负荷状况。本文主要设计的主要是针对驻车充电。

感应耦合变压器磁路分析：

电动汽车无线充电系统中，耦合变压器的原副线圈是分离的，一部分在地面，一部分在汽车上，存在很大的空隙，而变压器的耦合系数为：

由公式可知，感应耦合变压器的耦合系数只有0.2左右。

3.3谐振补偿电路

ICPT系统的输出功率能力较差，且工作频率很高，需要对原、副边线圈进行无功补偿，原、副边补偿结构主要有两种：串联补偿结构和并联补偿结构。ICPT系统有四种补偿结构，即原边与副边均串联补偿(SS 拓扑)、原边串联副边并联补偿(SP拓扑)、原边侧并联副边串联补偿(PS拓扑)、原边与副边均并联补偿(PP拓扑)，又电压型 ICPT系统即SS,SP型系统中，原边补偿电容的选取没有受到负载电阻 R 大小的制约，而恰恰相反，在电流型ICPT即 PS、PP型系统中，负载电阻R的大小对原边补偿电容的选取产生了直接的影响。也就是说，在电流型 ICPT系统中，负载电阻一旦发生变化已有的原边补偿电容将不能使原边的等效阻抗虚部为0，使得系统不具备产生谐振的条件，影响了整个系统的传输效率。为了适应负载的变化，则要通过动态调整原边补偿电容的方式使之满足要求，这样便要以增加复杂电路为代价，总体上比一定能提高系统的传输效率。因此电压型的 ICPT系统在负载适应性与频率稳定性方面优于电流型ICPT系统。故选择电压型ICPT系统。

4　系统验证

通过系统平台的搭建，验证了ICPT在电动汽车无线充电系统中的应用，能够为电动汽车进行无线充电。

参考文献

[1]黄帆.全桥感应耦合能量传输装置研究[D].北京交通大学硕士学位论文,2012,7.

[2]孙跃,王智慧,戴欣.非接触电能传输系统的频率稳定性研究[J].电工技术学报,2005,20(11):56-59.

[3]蓝建宇,唐厚君,耿欣.感应耦合电能传输系统自持振荡控制[J].电机与控制学,2015,19(5):7-12.

[4]廖承林,李均锋,马中原.无线电能传输技术在电动汽车无线充电中的应用[J].物理前沿,2015,27(2):51-53.

[5]刘红伟,张波,黄润鸿等.感应耦合与谐振耦合无线电能传输的比较研究[J].研究与开发,2015,1:7-13.