电动汽车无线充电系统的分析与设计

第４０卷第６期２０１５年１２月　　昆明理工大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＫｕｎｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ６　Ｄｅｃ．２０１５收稿日期：２０１５－１１－１６．基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１３ＢＡＧ０８Ｂ０１）．作者简介：李维汉（１９８８－），男，博士研究生．主要研究方向：电动汽车、无线充电、电池管理．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｗｅｉｈａｎ０４２７＠１６３ｃｏｍ通信作者：赵韩（１９５７－），男，博士，教授．主要研究方向：机构学、机械传动、数字化设计与制造、汽车等．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈａｎｚｈａｏｆｆ＠ｑｑｃｏｍｄｏｉ：１０．１６１１２／ｊ．ｃｎｋｉ．５３－１２２３／ｎ．２０１５．０６．０１１电动汽车无线充电系统的分析与设计李维汉，赵　韩，张　坤，江　昊（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥２３０００９）摘要：无线充电技术（ＷＰＴ）应用于电动汽车（ＥＶ），为电动汽车提供了新的充电方式，为解决充电安全和电动汽车续驶里程短的弊端提供了新的解决方法．介绍了电动汽车无线充电系统架构，分析无线充电技术的基本原理、控制方法、补偿结构和线圈结构．重点分析了适用于电磁共振式ＷＰＴ的一次侧串联二次侧串联（ＳＳ）的补偿结构，给出了适用于电动汽车无线充电技术的补偿结构的选择和设计方法，以及矩形线圈结构的设计方法，并给出仿真结果，为搭建演示实验台架提供理论依据．关键词：无线充电；电动汽车；电磁共振式ＷＰＴ；补偿结构；线圈设计中图分类号：Ｕ４６９７２文献标志码：Ａ文章编号：１００７－８５５Ｘ（２０１５）０６－００６５－０６ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＣｈａｒｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓＬＩＷｅｉｈａｎ，ＺＨＡＯＨａｎ，ＺＨＡＮＧＫｕｎ，ＪＩＡＮＧＨａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｅｒ（ｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ，ＷＰＴ）ａｐｐｌｉｅｄｔｏＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ（ＥＶ）ｉｓａｎｅｗｍｅａｎｓｏｆｃｈａｒｇｉｎｇｆｏｒＥＶ．ＩｔｉｓａｎｅｗｓｏｌｕｔｉｏｎｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｈａｚａｒｄｓｃａｕｓｅｄｂｙｃｈａｒｇｉｎｇｂａｔｔｅｒｉｅｓａｎｄｔｏｅｘｔｅｎｄｔｈｅＥＶｄｒｉｖｉｎｇｒａｎｇｅ．ＡＷＰＴｓｙｓｔｅｍｆｏｒＥＶａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓ，ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｃｏｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅＷＰＴｓｙｓｔｅｍａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｓｅｒｉｅｓｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｏｒｂｏｔｈｐｒｉｍａｒｙａｎｄｓｅｃｏｎｄａｒｙｃｏｉｌｓ（ＳＳ），ｗｈｉｃｈｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔＷＰＴｓｙｓｔｅｍ，ｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｙａｎｄｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｃｏｉｌｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅＷＰＴｓｙｓｔｅｍａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ，ａｒｅｐｒｏｖｉｄｅｄａｓｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇａｎｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅＷＰＴｄｅｍｏ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｈａｒｇｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ；ｒｅｓｏｎａｎｔＷＰＴ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｔｏｐｏｌｏｇｙ；ｃｏｉｌｄｅｓｉｇｎ０引言随着能源短缺和环境污染问题的加剧，电动汽车作为新能源汽车已经受到广泛的关注［１］．然而受电池容量的限制，电动汽车的续驶里程短，还需要健全的充电设施［２］．传统的充电方式为插电式，需要携带笨重的电缆，容易磨损，插电或断电时容易产生火花，雨雪天气有触电隐患．为解决这些弊端，无线充电技术（ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｈａｒｇｉｎｇ，或者ＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ，ＷＰＴ）开始应用于电动汽车上［３－５］．无线充电技术已经可以应用于手机［６，７］、游戏遥控器、笔记本电脑、平板电脑和植入式医疗设备［８－１０］等．国内外多所研究机构和多家汽车生产商已经开始研究无线充电技术在汽车上的应用，尤其是应用无线充电技术给电动汽车动力电池充电．无线充电技术省去了插头带来的麻烦和安全隐患，可以满足各种气候和环境条件下的充电，还可以实现动态充电，弥补电动汽车续驶里程短的缺点．ChaoXing无线充电技术是基于非接触式电能传输技术的充电技术．主要通过电磁感应、电磁共振、微波和激光等方式实现非接触式电能传输的．虽然无线充电技术有多种形式，可是一般认为适用于动力电池充电只有电磁感应式和电磁共振式两种［１１］．这两种ＷＰＴ技术都是基于电磁感应原理，然而电磁共振式ＷＰＴ要求一次侧和二次侧谐振频率相同．电磁共振式ＷＰＴ系统可以提高能量的有效耦合和线圈的效率，并且其对两线圈的相对位置变化的敏感度较电磁感应式ＷＰＴ系统小，更适用于电动汽车环境．本文主要介绍了电动汽车无线充电系统，分析了无线充电技术的基本原理和控制方法，着重介绍了补偿结构的选择与设计以及线圈结构的设计方法．１电动汽车无线充电系统电动汽车无线充电系统主要包括四部分：带功率因素校正（ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ＰＦＣ）的ＡＣ／ＤＣ转换器、高频ＤＣ／ＡＣ转换器、非接触式谐振变换器、整流器，如图１所示．首先，工频单相或三相电经带ＰＦＣ功能的ＡＣ／ＤＣ转换器整流成高压直流电，然后直流电压经全桥ＤＣ／ＡＣ转化器转变成高频的交流方波加在非接触式谐振变换器一次侧输入端，这样线圈有交流电注入而产生交变磁场，二次侧线圈在交变磁场中感应生成交流电，再经整流成直流电，从而给电池充电．若采用调节一次侧前级电压的方式调节功率，需在一次侧ＰＦＣ后增加降压电路（Ｂｕｃｋ电路）；若希望汽车端功率可调，需在二次侧整流器后增加功率调节电路．如图１中虚线所示．此外，电动汽车无线充电系统的一次侧和二次侧需要交换信息，这就需要无线通信系统；一次侧和二次侧相对位置的变化会影响一次侧和二次侧线圈的耦合系数，从而影响无线充电系统的传输功率和效率，所以需要位置检测系统帮助驾驶员找到合适的停车位置；当有金属或动物进入一次侧线圈和二次侧线圈之间时，传输效率会降低甚至存在安全问题，异物检测可以检测一次侧线圈和二次侧线圈之间是否有硬币、铁块、口香糖包装纸和小动物等，一旦检测到异物，系统将及时停止充电并通知驾驶员．２电动汽车无线充电技术控制方法ＷＰＴ系统的控制方法类似于普通的谐振变换器，主要有控制频率、改变电路参数、改变输入电压、移相控制、锁相环控制等多种控制方法．（１）频率控制．多用于电磁感应式ＷＰＴ系统，通过控制输入端开关频率来控制输入功率．这种控制方法的明显不足是偏离额定功率时无功增大、效率降低、容易失控．（２）改变电路参数．多用于小功率ＷＰＴ系统，通过改变谐振电容来改变电路谐振频率，类似于频率控制［１２］．（３）改变输入电压．通过调节ＷＰＴ谐振变换器输入电压来控制传输功率．这种控制方法适用于大功率电磁共振式ＷＰＴ系统．但需增加额外的升压变换器或降压变换器．本文即采用该方法［１３］．（４）移相控制．其控制效果类似于改变输入电压．移相控制技术是通过改变开关管的导通角来改变其导通时间的技术．该控制技术的开关频率不变，避免了频率失控的问题，适用于电磁共振式ＷＰＴ系统［１４］．但无法保证全范围的软开关．（５）锁相环控制（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ，ＰＬＬ）．该控制策略需结合ＰＷＭ控制．这种控制方法在调节ＰＷＭ来调节传输功率的基础上利用ＰＬＬ调节工作频率来实现软开关．ＰＬＬ通过测量输入电流，计算输入电流的过零信号与输入电压之间的相位差，并且调节变换器的工作频率，将这个相位差锁定为一个定值，从而实６６　　　　　昆明理工大学学报（自然科学版）　　　　　　　　　　　　　　　　第４０卷ChaoXing现软开关［１５］．该控制方法较为复杂，适用于电磁感应式ＷＰＴ系统，且多用于小功率调节．３电动汽车无线充电补偿结构设计用于电动汽车的无线充电技术主要有感应耦合和电磁共振．这两种技术都需要补偿网络与线圈形成谐振电路从而构成非接触式谐振变换器．一次侧线圈的补偿网络是为了使供电设备的伏安容量的等级最小，而二次侧线圈的补偿网络是为了提高传输功率．无线充电系统的一次侧和二次侧是两个有着相互作用的子系统．设计无线充电系统需同时考虑一次侧和二次侧的补偿网络．根据电容与线圈的连接方式有四种基本的补偿结构［１６－１８］，分别为：ＳＳ，ＳＰ，ＰＳ和ＰＰ，如图２所示．图２中ＣＰ为一次侧补偿电容，ＬＰ为一次侧线圈电感，ＣＳ为二次侧补偿电容，ＬＳ为二次侧线圈电感，Ｍ为一次侧和二次侧线圈电感之间的互感值．在采用四种基本补偿结构的ＷＰＴ系统中，补偿电容是ＷＰＴ系统工作在谐振状态下确定的．一般情况下，二次侧的补偿电容可通过以下公式得到［１６－１８］ＣＳ＝１／（ω２０ＬＳ）其中ω０为额定谐振频率．一次侧补偿电容计算方法如表１所示．表１　一次侧补偿电容计算公式［１６］Ｔａｂ１　Ｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｏｒ补偿结构一次侧电容ＳＳＣＰ＝１（ω２０Ｌｐ）ＳＰＣＰ＝ＬＰ（ω２０Ｍ２／ＲＬ）２＋ω２０Ｌ２ＰＰＳＣＰ＝１ω２０（ＬＰ－Ｍ２／ＬＳ）ＰＰＣＰ＝ＬＰ－Ｍ２／Ｌｓ（Ｍ２ＲＬ／Ｌ２３）２＋ω２０（ＬＰ－Ｍ２／ＬＳ）２从表１中可以看出ＳＰ、ＰＳ和ＰＰ三种补偿方式一次侧的补偿电容ＣＰ都是与Ｍ有关的，其中ＳＰ和ＰＰ还和负载ＲＬ有关．设计ＷＰＴ系统时，ＣＰ都是根据某一特定的Ｍ和ＲＬ设计的．而由于停车位置、车辆载荷的不同或动态充电，一次侧和二次侧线圈的相对位置并不是设计值，甚至是随时间变化的（动态充电中），这就导致实际中两线圈的耦合（互感Ｍ）并不是设计值．并且对于电动汽车用的动力电池，其充电时等效负载也是随时间变化的．而ＳＳ补偿结构的谐振频率不随耦合互感Ｍ和负载ＲＬ的变化而变化．在ＷＰＴ系统的实际应用中，为了提高输出电压或电流能力，参数变化和系统频率的鲁棒性，还常用混合型补偿结构，如文献［１９］中的双边ＬＣＣ补偿结构．本研究采用ＳＳ补偿的电磁共振式无线充电系统．ＳＳ补偿的无线充电系统结构较为简单，本文着重对ＳＳ补偿结构进行分析和设计．图３为ＳＳ补偿结构的可控电压源模型．若所有元器件都是理想的，输入电压与电流同相位，系统处于谐振状态，且只考虑一次谐波，以输入电压ＵＡＢ作为参考，由ＫＣＬ／ＫＶＬ可以得到：Ｉ１＝Ｕａｂｊω０Ｍ＝Ｕａｂω０Ｍ∠０°，Ｉ２＝ＵＡＢｊω０Ｍ＝ＵＡＢω０Ｍ∠９０°，Ｐｏｕｔ＝Ｐｉｎ＝ＲｅＵＡＢ·Ｉ{}１＝１ω０ＭＵＡＢＵａｂ（１）其中Ｉ１为电流Ｉ１的共轭．由式（１）可以看出当最大输出电压和最大输入电压确定的情况下，输出功率和两个线圈的互感成反比，最小功率出现在两线圈无偏移时．若谐振频率（８５ｋＨｚ）和传输功率（３７ｋＷ）已定，就可以确定互感的大小，从而为线圈的设计提供参考．７６第６期　　　　　　　　　李维汉，赵　韩，张　坤，等：电动汽车无线充电系统分析与设计ChaoXing４电动汽车无线充电线圈设计无论