基于耦合变压器补偿技术的电动汽车无线充电系统优化设计

吴金华

（江西应用技术职业学院，江西赣州，341000）

1 电动汽车无线充电技术分析

在当前电动汽车的充电方面，无线充电将技术属于目前比较理想的一种充电方式，并且在实际应用中表现出十分明显的便捷性优势，而无线充电技术的应用主要就是通过无线充电系统得以实现的。对于电动汽车无线充电系统而言，其组成主要包括两个部分内容，分别为地面发射系统与车载接收系统。该系统在实际运行及工作过程中，通过车载终端实现车辆信息的准确识别，且与地面上的充电设备之间可以实现信息交互，以确定具体充电需求。在此基础上，利用地面上的装置，可以将220VAC/50Hz的市电转变成为高频电流，然后将电流注入地面发射装置中，之后地面上的发射装置可以这些高频电流转变成为高频磁场，并且进行向外发射。在车载接收端的相关接收装置，可以利用电磁感应耦合原理实现高频磁场信号的接收，且可以转换成为高频电流，而后通过车载充电机转换成为直流电，提供给动力电池实现充电。在该过程中，对于车载充电机还需要注意检测并收集电池充电信息，还要将这些数据信息向车载充电系统发送显示，以便更好观看充电情况及电量[1]。

2 基于耦合变压器补偿技术的电动汽车无线充电系统组成及原理

就当前电动汽车无线充电系统中耦合变压器补偿技术的应用而言，其主要就是通过感应电能耦合传输实现电动汽车无线充电系统的有效设计，下面具体分析。

对于基于感应电能耦合传输的系统，其主要就是在利用电磁感应管理的基础上实现电能的无线传输，其具体原理如图1所示。

图1 原理力

整个系统的组成包括两个部分内容，即发射部分与接收部分，其中发射部分的作用主要就是对于所输入的相关工频电网电压，使其转变成为高频交电流，利用耦合器中的电磁感应可以使这些高频交电流向接收部分进行传送，而接收部分在获取这些高频交流电之后，将其转变成为直流电以提供给负载应用。在整体的系统构成中，其所包含的模块主要有六个部分，分别为一次侧整流滤波模块、感应耦合变压器模块以及高频逆变模块，还有变压器原边及副边线圈中的电容补偿模块，还有二次侧整流及功率调节模块等有关内容。

此外，就该系统实际运行情况而言，其在实际工作中的基本原理为：在系统实际云心过程中，首先由电网发送出工频交流电，系统中的整流滤波模块可以将这些工频交流电转变成为直流电，而对于这些直流电，高频逆变器可以促使其逆变形成高频交流电，对于所形成的这些工频交流电，将其注入感应耦合变压器的原边，依据电磁感应原理，这些高频交电流会在线圈中产生相应磁链，并且与副边线圈相交，在副边线圈中会有感应电动势产生，这种感应电动势也属于高频交流电。对于此时的高频交流电，利用整流滤波模块及功率调节模块，可以使其转成为与负载相适应的直流电能，同时，对于设备中直接输出的相关直流电，也可以对其继续逆变，以获得使交流负载得到满足的有关交流电能，实现更好的充电[2]。

3 基于耦合变压器补偿技术的电动汽车无线充电系统系统的优化设计

就当前电动汽车无线充电系统的实际应用而言，系统中的原线圈与副线圈分别在地面上与车内，彼此之间的距离相对比较大，原副边线圈之间存在很大气隙，漏磁比较大，相应的耦合系数比较低。所以，在对该系统实际进行设计过程中，需要对以下几个方面充分考虑：耦合器中所使用的谐振技术；高频工作；有关开关器件所具备的软开关能力；适当充电距离；偏差适应性；优化控制方式，还有宽负载工作范围。就当前系统应用来看，系统构成电路图如图2所示。

图2 系统构成电路图

3.1 功率变换模块设计

对于功率变换模块，其所发挥的作用主要就是使得由电网中所得到的有关工频交流电转变成为高频交流电，这在整个系统中都是比较关键的环节，在实际设计中需要从以下几点入手。

首先，拓扑分析。依据主电路中的不同拓扑结构，对于各种功率变化器可以将其分为半桥式、全桥式及反激式与推挽式。其中，对于反激式功率变换电路而言，通常情况下都是使用单管变换，在对功率要求比较小的相关装置中比较适用，功率一般都是在几十毫安左右；而对于半桥式及全桥式的功率变换电路，通常情况下都是在几十瓦、几百瓦的有关功率装置中进行应用；而对于推挽式功率变换电路，通常都是在等级较高的相关装置中进行应用，依据目前电动汽车的实际功率需求，基本上都是选择全桥式功率变换电路。其次，器件的适当选择。对于这一系统而言，变压器自身传输效率比较低，因而对于功率变换电路，需要其具备低损耗性，因而对于相关功率器件的合理选择也就十分必要。通常情况下，选择功率开关管需要注意以下几个条件：额定电压必须要比浪涌电压高，且需要留取一定电压余量；额定电流必须要比开关管中所流过电流的峰值高，并且开关管工作应当在安全范围之内；具有比较理想的散热能力；具有比较小的损耗。在实际系统设计中，为能够使上述条件得到满足，在全桥逆变电路中选择的功率管为MOSFET，并且对于开关管应用中开启与断开的控制，选择软开关方式。

3.2 感应耦合变压器设计

耦合器在处于高频工作状态下，为能够使所存在的趋肤效应得以减小，在选择导线时通常都会利兹线，这种线的特点就是具有多股漆包线并绕。就目前电动汽车的不同充电情况来看，主要就是就是包括以下几种。第一，驻车充电，这种状况所指的就是将电动汽车在充电位置停放实行静态充电。第二，公交站台无线充电，这种充电方式所面向的主要就是电动公交车，也就是通过公交站处所设置的无线充电系统发射装置，在公交车停靠于电台期间为其补充电量。第三，行车充电，这种充电方式指在车辆行驶过程中实行充电，这需要将无线发射装置铺设于特定道路上。第四，智能电网充电，这一充电方式所指的就是对于相关充电装置，将其纳入智能电网运行控制中，依据区域内部电网负荷状况，对于电动汽车的无线充电实行智能控制，使电网负荷状况得到有效改善。本文主要以驻车充电方式为研究对象进行设计。在实际设计过程中，需要对感应耦合变压器磁路进行分析：对于电动汽车无线充电系统而言，在其所应用的耦合变压器中，原线圈与副线圈之间是相互分离的，其中一部分置于地面，另一部分置于汽车上，因而两者之间有很大空隙存在，依据变压器耦合系数计算公式：

计算可知，对于感应耦合变压器，其耦合系数大约为0.2，可以实现理想的充电。

3.3 谐振补偿电路设计

对于基于基于感应电能耦合传输的无线充电系统，其输出功率能力相对比较差，并且工作频率比较高，在实际运行及应用中需要对原边线圈及副边线圈实行无功补偿，而就目前原边线圈与副边线圈的补偿结构而言，其主要包括两种，即串联补偿结构与并联补偿结构。而本文所设计系统中的补偿结构主要有四种：原边线圈与副边线圈均属于串联补偿；原边线圈为串联补偿，副边线圈为并联补偿；原边线圈并联补偿，副边线圈并联补偿；原边线圈与副边线圈均为并联补偿。在电压型系统中，对于原边补偿电容选择，不会受负载电阻大小的制约，然而在电流型系统中，在原边补偿电容选择方面，负载电阻大小会对其产生直接影响。在电流型系统中，在负载电阻发生变化的情况下，原有补偿电容无法使原边等效阻抗的虚部成为0，也就导致系统不具备谐振产生条件，对于整体系统传输效率会产生直接影响。为能够与负载变化更好适应，需要对原边补偿电容方式进行有效调整，使其与相关要求满足，这种情况需要增加复杂电路。所以，在使设计过程中，更加倾向于电压型系统的设计与应用[3-4]。