感应耦合电动汽车无线充电的关键因素分析

2017-12-02湖南铁道职业技术学院高巧玲

电子世界 2017年22期

关键词：输出功率电动汽车耦合

湖南铁道职业技术学院高巧玲

株洲变流技术国家工程研究中心有限公司秦灿华

湖南铁道职业技术学院余娟

感应耦合电动汽车无线充电的关键因素分析

湖南铁道职业技术学院高巧玲

株洲变流技术国家工程研究中心有限公司秦灿华

湖南铁道职业技术学院余娟

感应耦合无线电能传输相比较微波式、电磁谐振式耦合，具有充电效率高、成本低的优点，是比较适合电动汽车非接触式充电的，现在的国内外学者正大力研究。本文主要分析影响感应耦合电动汽车无线电能传输的效率的关键因素。分别从逆变电路和松耦合变压器入手，包括频率、互感值、原副边线圈内阻及负载对系统传输功率和效率的影响。

感应耦合；电动汽车；无线充电；效率

0 引言

新型环保电动汽车的出现，可以缓解全球能源危机及环境污染双重问题，而目前的充电方式限制了电动汽车的普及，目前的充电方式都是采取有线充电，通过人工插拔，用电缆将电动汽车上的负载电池和充电桩连接，这种方式安全隐患较多，容易出现漏电和触电危险，且应用范围不广。无线电能传输可以解决有线充电的弊端，通过非接触式传输电能，如图1所示，通过分离发射和接收装置，通过无线方式实现电动汽车的充电，发射装置埋设于路下，接收装置安装在电动汽车的底盘上，当发射装置感应到接收装置时进行能量的传输，这种方式不仅可以用于给停靠的电动汽车进行充电，还可以在行驶过程中进行充电，解决了电池容量低，续航能力差的问题。根据能量发射装置和能量接收装置实现无线传输的方式，目前的电动汽车无线充电方式主要有两种：感应耦合式和谐振式，本文主要针对感应耦合式的电动汽车无线充电方式进行研究。

图1 电动汽车无线充电系统

1 电动汽车感应耦合无线充电系统

感应耦合无线充电系统根据法拉第电磁感应原理，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，两者相互依存就形成了电磁场。如图2所示通过从电网电压取电，经过整流滤波、高频逆变产生高频交流电通过初级线圈传送给次级接收线圈，接收端将接收到交流通过整流滤波电路转换为直流，然后通过DC-DC电路转换成负载电池组所需要的电压，整个过程发射端和接收端无电气连接，实现了无线充电。该系统中，整流滤波电路完成将交流电变成直流电，高频逆变电路将工频直流电转化为高频交流，由于初级线圈和次级线圈间存在气隙，所以叫做松耦合变压器。根据系统组成可知，高频逆变部分是系统的关键，该电路的效率、稳定性及可靠性影响整个系统的性能，其次就是松耦合变压器，原副边气隙较大，导致耦合系数低、漏感大。

图2 感应耦合无线充电系统

2 影响感应电动汽车无线充电的关键因素

根据电动汽车无线充电系统可知，影响电动汽车无线充电的关键因素主要有高频逆变电路，松耦合变压器、负载电阻等等，本文就高频逆变电路的设计和松耦合变压器和负载电阻对整个系统的效率的影响进行分析。

3 高频逆变电路对系统效率的影响

高频逆变电路是松耦合变压器前端，它将从电网获得的交流经过整流滤波电路后逆变成高频交流，高频交流通过松耦合变压器的原边线圈发射给次级线圈，它的效率、稳定性和可靠性影响整个充电系统的性能。高频逆变电路根据结构分为半桥逆变和全桥逆变，半桥逆变电路结构简单，成本低，但是输出电压只有输入电压的一半，在相同功率需求下，传输损耗大，且它适用于功率在500W以下的情况，所以一般不用在电动汽车无线充电系统的发射端。全桥逆变由四个高频功率开关管组成，控制开关管就可以控制输出功率，输出功率大，转换效率高，可以采用软开关技术，电动汽车无线充电需要大功率，且要求效率高，所以电动汽车无线充电系统一般采取全桥逆变。

4 松耦合变压器对系统效率的影响

电动汽车无线充电系统中的松耦合变压器，初级线圈部分埋设于地下，次级部分在汽车底盘上，底盘和地面存在竖直方向的气隙，如果在水平位置没有对准，还存在水平偏移，所以电动汽车无线充电系统中的松耦合变压器的耦合系数通常在0.8以下，漏感较大，漏感大，系统的无功功率大，为了提高系统效率，需要增加补偿电容进行无功补偿，补偿电路按照原副边电容的串并联方式分为串联-串联（SS）、串联-并联（SP）、并联-串联（PS）和并联-并联（PP），本文以SS结构为例，说明功率和效率的关系，根据[6]可知输出功率和效率的表达式为：

其中RP为原边线圈内阻，RS为副边线圈内阻，RL为负载，M为互感，ω为工作频率，Pout为输出功率，η为效率，由式可知系统的传输功率和效率主要和频率、互感值、原副边线圈内阻及负载有关。

通过设置实验，在其他条件相同的情况下，改变互感值M，得到M对效率的影响为：随着M的增大，Pout慢慢增大，M到24μH时，Pout最大，再增大M，Pout下降。而M主要是受耦合系数K的影响，如果采用漏感模型，可以得到Pout、η和耦合系数之间的关系，经试验验证，效率会随着耦合系数的增大而增大，当处于紧耦合，即K＞0.5时，效率η＞90%，随着K增大，Pout也增大，Pout增大到最大值时会下降，此时K≈0.15，η≈90%，为了平衡输出功率和效率的关系，一般要求耦合系数至少在0.2-0.3，这时功率和效率相对较高。

因为ω=2π f，代入式（1-1）中，可知输出功率和效率与频率的关系，经实验验证，效率会随着频率的增加而增大，当频率到达10KHZ左右，效率基本保持不变，而输出功率开始随着频率增大而增大，然后达到最大值后随着频率增大而下降。输出功率和效率不能同时达到最大，所以设计电路时要综合考虑，使得在最大功率传输时效率也能满足要求。

电动汽车上的无线接收装置和地面下的无线发射装置，一旦确定很难更改，所以本文假设原副线圈内阻为定值，根据式（1-1），输出功率和效率，还与负载电阻有关，经实验验证，随着负载的增大，效率先急剧上升，输出功率也增加，在负载等于500欧姆时，输出功率最大，在0-50欧姆时效率高于90%，超过500欧姆后效率只有不到50%。