电动汽车动态无线充电系统设计

王宁 杨庆新

摘  要： 针对电动汽车的车载电池续航距离短、充电时间长的现状，设计一套基于电磁耦合谐振的电动汽车动态无线充电系统。该系统分为能量发射部分和能量接收部分，以STM32为控制核心，实现发射端的线圈切换管理及接收端的能量管理功能，具有静止充电、驱动行驶和动态充电三种模式状态。实验结果表明，所设计系统可以根据车载电池电压，自动切换工作模式，采用嵌套方式的接收线圈，在偏移40%情况内，输出功率基本稳定。该设计能够实现电动汽车无线充电的智能化，有助于加快商用化速度。

关键词： 无线充电; 电动汽车; 系统设计; 电路设计; 能量管理; 系统测试

中图分类号： TN830.1?34; TP29                 文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）10?0025?05

Design of dynamic wireless charging system for electric vehicle

WANG Ning， YANG Qingxin

（Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In allusion to the current situation of short cruising distance and long charging time of on?board batteries of the electric vehicles， a dynamic wireless charging system based on electromagnetic coupling resonance is designed for the electric vehicle. The system is divided into the energy transmitting part and the energy receiving part. In the system， STM32 is taken as the control core to implement the functions of coil switching management at the transmitting end and energy management at the receiving end. The system has three modes： static charging， running charging and dynamic charging.  The experimental results show that the designed system can switch working mode according to the on?board battery voltage automatically. The receiving coil with nested mode has basically stable output power within the deviation of 40%. This design can realize the intelligentization of wireless charging of electric vehicle， which is helpful in accelerating the commercial application.

Keywords： wireless charging; electric vehicle; system design; circuit design; energy management; system test

0  引  言

无线电能传输技术能够避免用设备与电网的直接连接，具有灵活、安全、可靠等优势，成为有线供电方式的重要补充，受到世界各国同行的广泛重视[1]。按照电能传输过程中，发射端和接收端的相对位置是否变化，该技术分为静态无线电能传输技术和动态无线电能传输技术[2]。动态无线充电系统可以实现电动汽车在行驶过程中充电，减少车载电池容量，进一步降低电池成本、大小和重量[3]。

目前，国内外研究主要集中在电磁耦合机构设计[4]、电能变换拓扑结构[5]、补偿网络结构[6]、系统建模方法[7]等方面。多数文献中的无线电能传输系统以卤素灯或是功率电阻作为负载。电机负载[8]、锂电池负载[9]的文献并不多见。

本文设计一种基于电磁耦合谐振的电动汽车动态无线充电系统。该系统分為能量发射部分和能量接收部分，以STM32为控制核心，实现发射端的线圈切换管理、接收端的能量管理功能，具有静止充电状态、驱动行驶状态和动态充电状态。在儿童电动车底盘加装无线电能接收线圈，接收到的电能经过整流滤波后给电机和车载电池供电。实验结果表明，系统可以根据采集到的车载电池电压值，自动切换工作状态。本设计以电机和蓄电池为负载，更加真实地实现了电动汽车动态无线充电过程，具有很强的实用价值。

1  动态无线电能传输的总体结构

1.1  基本结构

电动汽车动态无线充电系统主要分为发射端功率发射装置和接收端功率接收装置两大部分，如图1所示。市电经过高频逆变器形成高频方波，补偿网络与发射线圈的自感产生谐振，进而在发射线圈中形成高频正弦波。基于电磁感应原理，接收线圈中产生同样频率的高频电流，经过AC?DC转换后，为车载负载供电。为了避免额外的功率损耗和电磁辐射问题，通常采用分段式多发射线圈方式。因此，电动汽车在铺设发射线圈的道路行驶过程中，能够实现车载电池的在线充电，减少等待时间。

1.2  电路模型

無线电能传输系统的电路建模主要包括：基于松耦合变压器的漏感模型和互感模型。其中，互感模型是用互感表征原副边线圈之间的耦合效应。由于原副边励磁电感和漏感的存在，通常在电路中加入补偿网络，构成谐振电路，从而改善系统的传输性能，降低系统对电源容量的要求。典型的补偿拓扑包括串联型（S）、并联型（P）、SP型、LCC型等多种形式。

根据分段式发射线圈的设计方案，发射线圈具有工作状态和静息状态[10]。本文基于串联?串联形式的无线电能传输系统进行电路模型分析，简化的电路模型如图2所示。图2中，[IP1]和[IP2]分别为发射线圈1和2的回路电流;[IS]为接收线圈的回路电流;[M1]为接收线圈与发射线圈1之间的互感;[M2]为接收线圈与发射线圈2之间的互感;[M12]为发射线圈1和2之间的互感;[U1]和[U2]为高频逆变器输出电源;[LP1]，[LP2]和[LS]分别为发射线圈1、发射线圈2和接收线圈的自感;[CP1]，[CP2]和[CS]分别发射线圈1、发射线圈2和接收线圈的补偿电容;Z为电动汽车的等效负载。

设谐振频率为[ω0]，电源内阻为[rs]，根据基尔霍夫定律可得：

[U1=IP1rs-jω0M1IS-jω0M12IP2U2=IP2rs-jω0M2IS-jω0M12IP10=ISZ-jω0M1IP1-jω0M1IP2] （1）

最后可以得出系统的输出功率和效率：

[PO=ISRe（Z）U2=ISRe（Z）U1IP1+U2IP2] （2）

2  能量发射部分

相比于长导轨方式，分段式发射线圈方式只对充电车辆下方及临近的线圈产生激励磁场，减少了磁场泄漏，提高了互感耦合系数，进而提高了系统的整体传输效率。

2.1  发射线圈设计

中型小轿车的外形尺寸约为5 m×2 m，底盘距离地面高度为20 cm。为保证同一时刻，一个线圈最多只对一辆电动汽车充电，取单个发射线圈的长度为车的长度[11]，即5 m。单行车道的标准宽度为3～3.5 m，本设计以3 m为例，为减少无线电能传输过程中的电磁辐射，设定发射线圈的宽度为1 m。建立10∶1的缩比模型，发射线圈的实物如图3所示，参数如表1所示。

2.2  线圈切换管理

分段式发射线圈之间的连接方式包括串联和并联两种。串联方式下，各发射线圈的回路电流一致，但是线圈切换时，补偿电容也要随着变化;并联方式下，各发射线圈的开关互不影响，但是匹配电容值的精度要求较高，否则各发射线圈的回路电流不均。本设计采取串联方式，发射线圈的布局如图4所示。

汽车从右向左行驶在发射线圈上方，发射线圈全部串联接入高频逆变电源。每一个传感器都在其对应的发射线圈前端，保证线圈切换时，接收线圈对应的下方区域的发射线圈处于工作状态。最多有两个发射线圈同时工作，此时补偿电容也随着切换。

发射端控制系统由STM32控制器、传感器、发射线圈和开关控制电路构成。红外传感器检测电动汽车的位置，并将信息发送给STM32控制器。STM32控制器根据传感器传回来的数据信息判断并控制各发射线圈的通断。发射端控制系统结构图如图5所示。

3  能量接收部分

电能通过耦合谐振的方式传输到车载线圈，高频电流通过不控整流装置和滤波装置为负载提供电能。

3.1  工作模式

接收端管理控制系统的结构如图6所示。通过S1，S2和S3的开关状态，控制电动汽车的工作模式。当电动汽车正常行驶时，S3闭合，电池驱动电机转动。当电动汽车处于无线充电状态时，S3断开，分为静止充电、驱动行驶和动态充电三种工作状态。

1） S1闭合、S2断开：接收到的电能经过转换后直接给电池充电，此时为静态充电状态，检测锂电池的端电压来控制充电电流。

2） S1断开、S2闭合：接收到的电能经过转换后直接驱动电机，此时为驱动行驶状态，系统不给锂电池充电。

3） S1，S2同时闭合：接收到的电能经过转换后同时给电池充电和驱动电机，此时为动态充电状态，即边行驶边充电。

3.2  接收线圈设计

电动汽车的行驶路线不是笔直的线，而是存在侧向偏移的曲线，如第2.1节所述，侧向偏移距离最大为0.5 m。经过实验验证，同等长度的利兹线绕制的接收线圈，其与发射线圈的绕组重合面积越大，二者之间的互感越大，也就是说车载接收线圈的宽度和匝数与发射线圈一致时，接收效果最好。然而，当接收线圈侧向偏移时，互感下降，因此，为保证电动汽车在偏移情况下接收足够的功率，本设计的接收线圈采取嵌套式，包括内线圈和外线圈，如图7所示。接收线圈的参数如表2所示。

3.3  能量管理

当电池处于充电状态时，接收到的电能经过转换后直接给电池充电。电池的开路电压、工作电压和终止电压均可用来表示电池的电压特性。

3.3.1  锂电池的特性

1） 开路电压，即电池在没有外部电流流过时，其正负极之间的电位差，其值总是小于电池电动势。锂电池的开路电压与其正负极材料及充放电状态有关。通常釆用电池的开路电压。本设计采用开路电压法，利用STM32测量电池两端的开路电压，进一步推算电池的剩余容量。

2） 工作电压，即电池放电过程中电池的端电压，可用电流流过外部电路时其正负电极间的电位差表示。工作电压用来表示电池在工作中的实际输出电压，当电池有电流流经时，其内部会在电池内阻上产生压降。因此，工作电压值一般在放电终止电压和电池开路电压之间。

3） 终止电压，分为充电终止电压和放电终止电压，电池充电终止电压又分为最高充电终止电压和最低充电终止电压。实时检测锂电池的开路电压和充电终止电压以及放电终止电压，并与其产品数据手册对比，以此判断电池是否充满或者电量是否用完。并使微处理器强制切断电池充电通道和电池放电通道，以保护电池。

3.3.2  电机的特性

本设计采用直流有刷电机，主要包括端子、簧片、线圈和换向器。带电线圈在钉子磁场中旋转一定的角度，然后换向器将供电电压接入另一个线圈;另一个线圈旋转一个角度后，再换向。在电磁转矩的作用下，转子连续旋转。对于直流有刷电机来讲，改变其供电电压，就会改变转子线圈中的电流，进而改变在定子磁场中所受的安培力。电机的转速随着转矩的增加而升高，随着转矩的减小而降低。在某一特定区域内，电机的转速和供电电压是线性关系。因此，本设计利用A/D模块采集锂电池的端电压，进而判断电池的工作状态;采集电机的供电电压，经过STM32计算后，控制驱动模块的输出电压，进而控制电机的转速。

4  实验结果与分析

4.1  发射线圈的性能测试

电动汽车动态无线充电系统采用多发射线圈方式时，相邻线圈之间存在功率波动[12]。本设计采用两个参数相同的发射线圈，并使得相邻发射线圈之间的电流相位相同。实验过程中，接收线圈从左往右，依次经过两个发射线圈。设定高频逆变电源输出电压为4 V，输出电流为2.5 A，负载为卤钨灯。接收功率曲线如图8所示。由图8可以得出，d表示两个发射线圈的间距。实验过程中，d在0～3的范围内增加，结果表明，d=0时，接收功率的波动最小。在发射线圈的两端，接收功率增加是因为发射线圈与接收线圈的有效重合面积增加;而在发射线圈中间移动时，接收功率平稳。

4.2  接收线圈的性能测试

内线圈的宽度、匝数均与发射线圈的宽度一致。在内线圈发生偏移时，外线圈起到补偿作用。设定高频逆变电源输出电压为20 V，输出电流为1 A，负载为卤钨灯。接收线圈与发射线圈的间距为2 cm。偏移情况下的接收功率曲线如图9所示。

从图9中可以看出，内线圈在偏移40%时，接收功率下降38.9%;偏移80%时，接收功率下降87%。增加补偿线圈后，偏移40%时，接收功率仅下降2.1%;而在偏移80%时，接收功率下降16.9%。

4.3  样机的性能测试

本设计改装市面上的儿童电动车，在底盘增加了接收线圈，并搭建了能量接收管理系统，系统样机如图10所示。

4.3.1  静止充电状态

锂电池的充电时间较长，测试并没有从电池的终止电压开始，而是从端电压值为12.75 V开始，该值通过万用表测得。设定高频逆变电源输出电压为2 V，输出电流为5 A，锂电池的充电曲线如图11所示。充电35 min后，端电压达到12.9 V，电池充满。

4.3.2  动态充电状态

儿童车电机的型号是RS390S直流有刷电机。设定高频逆变电源输出电压为7 V，输出电流为5 A。通过接收端控制器控制电机驱动模块的输出电压值，以调节电机转速。锂电池的充电曲线如图12所示。

图12中，电机的驱动电压越高，表明电机的转速越快，意味着汽車行驶的速度越快，所消耗的功率越大。因此，发射端功率不变的情况下，车速越快，电动汽车的充电时间越长，也意味着行驶的距离越远。

5  结  语

本文设计一种基于电磁耦合谐振的电动汽车动态无线充电系统，包括能量发射和能量接收两大部分。控制部分以STM32微处理器为控制核心，实现发射端的线圈切换管理以及接收端的能量管理功能。采用串联型发射线圈方式，验证了无线电能传输功能。采用嵌入式接收线圈，提高了偏移情况的接收功率的稳定性。在儿童电动车底盘加装无线电能接收线圈，系统能够根据采集到车载电池的电压值，自动切换工作状态。测试了不同车速下的电池充电时间，结果表明，车速越快，需要的充电时间越长，意味着行驶的距离越远。下一步研究工作是充电后自动结算功能，即电动汽车充满或驶离充电道路后，实现自动扣费功能。

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