电动汽车插补耦合无线充电技术的研究

邓明阳，郭应时

(1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2.长春工业大学人文信息学院 汽车工程学院，吉林 长春 130122)

0 引 言

目前，电动汽车已经逐渐代替燃料汽车进入市场，但因为电池续航短、充电桩定点设置难等问题，电动汽车一直无法全面推广使用。为解决车辆无法移动充电的难题，笔者设计了一种移动式无线充电装置，提出了一种基于插补耦合技术的智能精准定位方法，该方法可快速地控制地面端充电线圈精准对正车载线圈，并使两者达到有效充电距离；同时利用反馈模块对充电过程的电流进行自适应控制，消除了电池浮充现象。然后根据毕奥-萨伐尔定律计算了有效充电距离D和线圈半径R的理论数值。最后采用计算机迭代仿真实验验证了充电线圈半径R和充电距离D的最佳取值，即R=40 cm、D=10 cm。

1 电动汽车无线充电技术理论

电动汽车无线充电技术即在有效距离内采用非接触式传输电能的技术，其原理是在车载受能端和地面充电供能端的磁场建立电能传输通道，将电能转化磁场能，以松耦合非接触电气隔离模式传输大功率电能[1-2]，受能端产生的电能经过整流后供电池存储。无线充电主要有电磁感应式、电磁共振式和射频式3种传输方式[3]，它们的电能传输距离和传输功率各不相同，详见表1。

表1 无线充电传输类型Table 1 Transmission type of wireless charging

电磁感应式充电是以磁场为充电媒介实现无电气连接的电能传输，其工作频率一般为几十到几百赫兹，近距离传输效率约90%，但受限于供能端和受能端距离[4]。电磁耦合共振式充电即收发端谐振线圈相同的固有频率产生电磁共振来传输能量[5]。射频式无线充电技术是以射频信号为载体，利用发射端功率放大器产生的射频信号传输电能，接收端经过高频整流后重新转换为电能使用[6]。笔者所设计的是一种电磁感应式无线充电装置，以车载固定位置线圈和地面移动充电线圈形成的磁场为载体，充电电流经过变换形成高频电流后转化成磁场能，利用磁场传输给车载线圈，再经过整流后形成可用的直流电，供汽车动力电池储存使用，为纯电动汽车续航提供保障。

2 插补耦合无线充电装置设计

笔者基于电磁感应原理来设计地面可移动供电端，通过智能控制确保电能收发端在有效距离内按照反馈信号不断调整，确保无线充电时通过接收端线圈的磁通量最大。电动汽车无线充电过程涉及的主要功能模块有交流电源、高频模块、发射装置、接收装置、整流模块和充电控制等，电能在各个模块中的流向如图1(a)。

2.1 电能传输过程

整个充电过程是利用磁场进行电能传输来完成的。地面供能端将电能转化成磁场能，受能端将磁场能转化成电能。利用电磁感应理论，地面供能线圈及外围电路将电能(交流电)转化为可传输的磁场能；车载受能线圈及外围电路主要将磁场能转化为可供动力电池用的电能(直流电)。标准电流经过变频模块在供能端形成高频交流电，并在发射装置中产生磁场，从而电能转化成磁场能；再将磁场能传输到接收端，从而磁场能转化成电能；经过整流模块(含滤波部分)转化成可用的直流电。整个过程历经电能转化为磁能再转化为电能的过程[7]，如图1(b)。

图1 无线充电装置的整体结构及电能转化示意Fig.1 Schematic of overall structure and electric energy conversion for wireless charging device

2.2 插补耦合技术定位有效充电距离

无线充电的研究需要解决确保传输最大磁场能的问题。由磁场的高斯定理可知，在有效充电距离内，电磁感应传输功率可达90%。图2为有效距离的确定过程，分2步完成：

图2 反射端自动循迹的过程Fig.2 Process of automatic tracking at the reflective end

1)当车辆停稳后，受能端位置固定，地面可移动的供能端采用自动循迹方式在水平面内移动，供能端中心点逐渐向车载受能端中心点搜索移动，当供电端中心传感器与车载接收端中心基点投影重合时，两个线圈穿过的磁感线方向一致，数量相同，此过程称为“水平面位移循迹”[8]。

2)当磁场中心线重合时，受能端定位不动，通过步进电机控制供能端逐渐上升，缩短两个线圈的垂直距离，步进电机每移动一次，检测一次通过受能端的磁通量，经过前后两次磁通量对比来确定最终有效充电距离范围[9]。

实际充电中，以插补耦合技术控制驱动电机，通过检测移动过程前后的磁通量来控制供能端定位于有效充电距离内。图3为利用插补技术控制电机自动循迹路径过程中磁通量检测和控制原理。

图3 利用插补偶合技术的磁感线反馈跟踪定位过程Fig.3 Tracking and positioning process of magnetic induction line feedback using interpolation coupling technology

2.3 智能控制单元

电动汽车无线充电传输的电能特点是高电压、大电流，因此应选取具有耐高压和大电流特性的电子器件来构成智能控制器内部控制电路即控制单元。以嵌入式模块作为控制单元，选取灌电流500 mA、关态电压50 V的达林顿阵列为核心控制单元，选取UM 2003芯片及外围电路来控制电机的驱动和继电器的开关，主电路如图4。

图4 智能控制器内部电路Fig.4 Internal circuit of intelligent controller

控制原理是通过输入信号和反馈信号的对比，输出高电平信号，驱动步进电机控制供能端移动，在水平面移动使发射端线圈产生的磁通量穿过受能端线圈，在垂直方向移动，使收发端的线圈距离达到有效充电距离[10]。

2.4 快充过程中充电电流的控制

动力电池作为电动汽车能量源，其寿命直接影响续航里程，而充电中电流越变是影响动力电池使用寿命的重要因素之一。因此，合理设计充电过程电流的大小可延长电池使用寿命[11]。在充电过程中，开始阶段采用浮充电方式可以快速使电池达到额定电压和电流，减少充电对电池的影响；待电池的输出电流大小达到额定值后，采用恒流、多次恒压的方式充电，使电流长时间在小范围内波动，直至电池满载。忽略电池自身放电影响(电流微弱下降)，当电池放电电流达到额定电流的20%时，开始浮充充电；考虑电池寿命，电池充电电流变化不可越变，故各阶段电流大小的控制尽量保持平滑变化。不同阶段下充电电流大小控制如图5。

图5 充电电流控制过程Fig.5 Control process of charging current

3 无线充电中最佳参数的选取

在无线充电过程中，充电电能取决于供电线圈所提供的能量值。影响无线充电能量传输的因素主要有有效充电距离D和线圈半径R。无线充电中磁感线可以表征磁通量大小，反应能量传输的多少，是决定充电效率的关键因素[12-13]，而线圈大小又是决定磁感线多少的关键因素之一。为此，笔者通过对比穿过线圈磁通量的多少和磁感强度的大小来确定有效充电距离D和线圈半径R。首先，根据毕奥-萨伐尔定律计算磁通量φ与R的关系；然后，利用该定律变形公式计算R和D的关系；最后，通过计算机仿真实验验证理论参数值的优越性，通过对比分析选取最佳参数值。

3.1 磁通量与有效充电距离

根据毕奥-萨伐尔定律，由式(1)求出电流环产生的磁感线和磁场分布：

(1)

式中：dB为磁感线；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7T·m/A；I为充电电流，A；r为电流元到P点的矢径，cm；dl为导线元的长度矢量，cm。

3.2 不同有效充电距离下充电线圈的设计

根据毕奥-萨伐尔定律的变形公式可知，磁感应强度B与线圈半径R和有效充电距离D的关系如式(2)：

(2)

为对比不同参数对磁通量的影响，每一类参数从最小值增加，计算不同参数的磁通量理论数值。环电流I=100 A，环分N=30段，分别计算在有效充电距离D=10、15 cm时，线圈半径R=30、40、50、60、70、80 cm对应的磁通量φ，结果如表2。由表2可知，当D=10 cm、R=40 cm，或D=15 cm、R=60 cm时，磁通量φ最大。

表2 不同有效充电距离D和线圈半径R下的磁通量φTable 2 Magnetic flux φ under different effective charging distance D &coil radius R

3.3 仿真验证

采用MATLAB软件，通过迭代仿真模拟实验对比有效充电距离D=10、15 cm下，不同线圈半径R的磁通量φ分布和磁感应强度B大小。

按照表2中数据，在D=10 cm时，验证R=30、40、50 cm的磁通量φ和磁感应强度B大小；当D=15 cm时，验证R=60、70、80 cm的磁通量φ和磁感应强度B大小。磁感应强度B分布如图6(a)～(f)，磁通量φ分布以磁感线表示，如图6(g)～(l)。

图6 有效充电距离D下线圈半径R与磁场的关系Fig.6 Relationship between coil radius R and magnetic field under effective charging distance D

由图6可知，当D固定时，磁感应强度与磁感线密度随着R的增大而增大：R=40 cm时，磁感应强度B增大了1倍，磁感线密度增大不足1倍；当R=60 cm时，磁感应强度B增大1倍，磁感线密度增大大于1倍。

研究发现，随着R的不断增大，磁感线仅表现为线圈中某处的磁通密度增加，磁力线总数基本不变。结果验证了理论参数值的准确性。在实际应用中，考虑到硬件设备的承受强度和灵活性，建议取R=40 cm，D=10 cm。

4 结 语

笔者设计了一种基于插补技术的无线自适应充电装置，以插补耦合技术控制步进电机在空间水平方向和垂直方向的移动量，实现收发端的精准定位；并以传输最大磁场能量为控制目标调节输入信号，确保供电端与受能端的充电线圈达到最佳的有效充电距离；对充电过程充电电流进行平滑控制，消除浮充电对电池的影响。利用毕奥-萨伐尔定律及变形公式计算充电距离和线圈半径的理论数值；通过仿真实验验证了在不同有效充电距离下，充电线圈半径R和磁通量φ、磁感强度B之间的对应关系，再对比不同参数输入时的磁场强度，确定传输最大磁场强度下所对应的充电线圈半径。最后，推荐最佳充电装置设计方案参数为有效充电距离D=10 cm、线圈半径R=40 cm。

基于插补技术的无线自适应充电方法具有充电快速，充电电流稳定和充电能量传输效率高等特点，解决了电动汽车固定点位充电的难题。