肖朝霞 劉 杰

（天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

1 引言

電動(dòng)汽車（Electric Vehicles，EV）作為加快能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑，引起了越來越多國(guó)家的重視，汽車的電氣化是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。然而，電動(dòng)汽車充電問題一直是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵性問題之一。目前，電動(dòng)汽車普遍采用的充電方式是利用充電樁或充電站通過導(dǎo)線與電網(wǎng)進(jìn)行有線連接(即電纜連接)，從電網(wǎng)獲取電能為電動(dòng)汽車進(jìn)行常規(guī)充電、快速充電和換電，但是有線的充電方式存在易產(chǎn)生火花、易磨損、不易維護(hù)、不夠靈活等弊端[3]。

無線電能傳輸技術(shù)[4-5](Wireless Power Transmission,WPT)由于采用非接觸式傳輸電能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)直接接觸供電方式的弊端，具有很多優(yōu)點(diǎn)。目前，無線電能傳輸方式主要有電磁感應(yīng)式[6]、磁耦合諧振式[7]和微波輻射式[8]三種。本文采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，由于其利用近場(chǎng)電磁波進(jìn)行能量交換，是一種非輻射性、高效、支持較大功率、中距離輸電的新型技術(shù),故該技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)便應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電領(lǐng)域。文獻(xiàn)[9]就磁場(chǎng)諧振耦合的無線電力傳輸裝置的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行研究，文獻(xiàn)[10]對(duì)無線電能傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用進(jìn)行研究。

此外，隨著電動(dòng)汽車的不斷推廣，大規(guī)模的電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全產(chǎn)生影響，而且根據(jù)我國(guó)電力系統(tǒng)的能源利用現(xiàn)狀，通過電網(wǎng)對(duì)電動(dòng)汽車充電，所產(chǎn)生的碳排放量并不比傳統(tǒng)燃油汽車更低，并且也難以降低對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的依賴。相對(duì)于傳統(tǒng)大電網(wǎng)而言的微網(wǎng)，集成了分布式電源（Distributed Generation,DG）（光伏、風(fēng)力、微型燃?xì)廨啓C(jī)等）、負(fù)荷、儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制裝置構(gòu)成獨(dú)立的系統(tǒng)，既可以獨(dú)立向小型區(qū)域提供電能和熱能，又可以通過電力電子接口與傳統(tǒng)電網(wǎng)連接并網(wǎng)運(yùn)行，向大電網(wǎng)提供電能或從大電網(wǎng)吸取電能。

采用微網(wǎng)利用新能源為電動(dòng)汽車供電，不僅能夠有效減小大規(guī)模電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的威脅，同時(shí)能夠?qū)π履茉催M(jìn)行就地消納，做到真正的‘零排放’，有助于提高能源系統(tǒng)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。文獻(xiàn)[11]提出了一種利用可再生能源和電動(dòng)汽車進(jìn)行電能傳輸分配的新型直流微電網(wǎng)。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種基于太陽能發(fā)電的“多端口充電”直流微網(wǎng)，可滿足插電式混合動(dòng)力轎車和高爾夫場(chǎng)地電動(dòng)車充電需要。

將微網(wǎng)與無線充電技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中，可有效降低電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)解決了有線充電帶來的一系列問題。本文在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真分析，其結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。此外，本文對(duì)電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電具有重要意義和廣泛的實(shí)用價(jià)值。

2 采用微網(wǎng)的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)由微網(wǎng)系統(tǒng)、無線電能傳輸系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)三部分共同組成。微網(wǎng)為無線電能傳輸系統(tǒng)提供所需電能，無線電能傳輸系統(tǒng)將電能傳到電動(dòng)汽車上，根據(jù)電動(dòng)汽車充電需求為車載電池進(jìn)行充電。

圖1 微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The integral structure of electric vehicles wireless charging based on micro-grid

2.1 微網(wǎng)系統(tǒng)

微網(wǎng)系統(tǒng)如圖1a所示，該系統(tǒng)采用清潔高效、安置方便的光伏與蓄電池組合，因此可有效解決光伏發(fā)電功率受光照和溫度變化的影響。光伏系統(tǒng)直接與直流母線連接，蓄電池通過雙向 DC-DC并聯(lián)在直流母線上，光伏的最大功率跟蹤和蓄電池充放電由蓄電池側(cè)的DC-DC完成，采用的控制器如圖2所示。當(dāng)電動(dòng)汽車在白天充電時(shí)，將光伏最大功率跟蹤電壓Vmpp作為DC-DC升壓的參考電壓，通過光伏和蓄電池的協(xié)同工作，使光伏最大功率輸出。夜間充電時(shí),電動(dòng)汽車只采用蓄電池充電。

圖2 MPPT控制策略結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of MPPT control strategy

2.2 無線電能傳輸系統(tǒng)

圖3a所示為電動(dòng)汽車無線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)際等效電路，采用 SS型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有諧振頻率不受源、副邊耦合系數(shù)的影響，且更容易實(shí)現(xiàn)大功率傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。圖中，L1和R1分別為源邊電感和電阻，Cr1為諧振電容，與L1產(chǎn)生諧振，其頻率值與逆變器開關(guān)頻率相等。因此，L1與Cr1產(chǎn)生的阻抗為零。

圖3 無線電能傳輸系統(tǒng)等效電路Fig.3 Equivale circuits of proposed power transmitter system

根據(jù)基爾霍夫電壓定律(KVL)和歐姆定律，對(duì)圖3a所示模型進(jìn)行電路分析，可得到如下矩陣

式中，M為源邊與副邊之間的互感，由于存在較大空隙，故其值很小。

圖3b所示為系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)下的等效電路。電感量與電容量相互抵消，等效電路中僅存在電阻，電路方程如下

因此可見，應(yīng)用諧振電容可消除電感量 L1和L2，同時(shí)系統(tǒng)整個(gè)阻抗也顯著減小。在實(shí)際電動(dòng)汽車無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻逆變器輸出頻率和線圈固有諧振頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)高效的能量傳輸。

圖4所示為高頻逆變裝置DC-AC。它將來自微網(wǎng)的直流電壓逆變成 100kHz的高頻交流電為無線電能傳輸線圈部分供電。

圖4 高頻逆變裝置Fig.4 High frequency inverter device

收發(fā)線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)是電動(dòng)汽車無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，直接決定著無線電能傳輸?shù)某晒εc否和傳輸?shù)墓β省⑿?。設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足：保持相同的固有諧振頻率；具有較高的Q值。除此之外，還要涉及尺寸大小、線圈直徑、線圈線徑、線圈材質(zhì)、線圈周長(zhǎng)等因素。在設(shè)計(jì)過程中，某些因素往往是相互影響的，因此參數(shù)的確定順序以及優(yōu)化非常重要。

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車收發(fā)線圈采用 Litz線繞制，它包含多股細(xì)銅線可有效減小電流的趨膚效應(yīng)引起的電阻，從而降低系統(tǒng)損耗，圖5為收發(fā)線圈結(jié)構(gòu)。

圖5 發(fā)射、接收線圈結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of wireless transmitting and receiving coils

2.3 電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)如圖1c所示，該部分及無線接受線圈均安放在電動(dòng)汽車上，AC-DC模塊將接收到的高頻電壓整流、濾波變換成直流電，最后通過DC-DC控制器根據(jù)車載電池的需要為車載電池進(jìn)行快速或慢速的恒壓或恒流充電。

根據(jù)車載電池充電特性設(shè)計(jì)控制策略如圖6所示。當(dāng)車載電池端口電壓較低時(shí)采用恒電流控制（圖6b），隨著車載電池電能增多，充電狀態(tài)（SOC）發(fā)生變化，車載電池端口電壓升高，當(dāng)達(dá)到95%的車載電池額定電壓時(shí)，由恒電流充電轉(zhuǎn)換為恒電壓充電圖（6c）。當(dāng)車載電池電壓達(dá)到其最大電壓且充電電流小于其最小電流時(shí)，蓄電池充電已滿，停止充電。

圖6 電動(dòng)汽車電池充電控制器Fig.6 Electric Vehicles battery charging control

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，本文使用 Matlab/Simulink軟件對(duì)圖1所示的微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如表所示。

表 仿真參數(shù)

圖7a為光照強(qiáng)度為200W/m2，溫度為25℃時(shí)，光伏在蓄電池配合下，光伏輸出功率維持最大功率跟蹤Pmpp，直流母線電壓（光伏輸出電壓）維持最大功率跟蹤電壓Vmpp。圖7b為夜間充電時(shí)，蓄電池為其供電，直流母線電壓維持在500V。

圖7 微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of electric vehicles wireless charging system based on micro-grid

由于光伏輸出的為直流電，相較于電網(wǎng)供電省去了整流器的使用，減少了由于電力電子器件的使用而產(chǎn)生的諧波等問題，同時(shí)也減少了系統(tǒng)的成本，高頻逆變器 DC-AC將來微網(wǎng)直流電壓直接逆變?yōu)?00kHz的高頻電壓，為無線電能傳輸部分提供電能。圖7c為經(jīng)高頻逆變之后的電壓、電流。

無線供電部分作為能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分，在整個(gè)的系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用，對(duì)諧振式無線電能傳輸部分的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，電能的傳輸效率能夠到達(dá) 80%以上，圖7c、圖7d為無線發(fā)射端與接收端的電壓/電流波形。

電動(dòng)汽車的車載電池參數(shù)采用日系leaf模擬仿真，電動(dòng)汽車上的控制系統(tǒng)將無線接收端接收到的100kHZ的高頻電壓經(jīng)AC-DC模塊整流、濾波成直流如圖7e，最后通過 DC-DC器得到滿足電動(dòng)汽車電池充電需要的電壓為其充電。仿真結(jié)果所示如圖7f。仿真結(jié)果證明了整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可行性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，本文對(duì)無線電能傳輸部分做了實(shí)驗(yàn)研究。如圖8所示為當(dāng)發(fā)射端與接收端間距為35cm時(shí)，無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射、接收電壓。圖中所示曲線為通過通道間具有隔離措施的TPS2014示波器測(cè)量到的發(fā)射端與接收端的電壓曲線。測(cè)量結(jié)果顯示后者落后前者π/2個(gè)電角度，該結(jié)果與理論研究中中系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)的電壓增益關(guān)系相吻合。

圖8 無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射、接收電壓Fig.8 The experimental system of wireless transmitting and receiving coils voltage

由遠(yuǎn)及近改變發(fā)射線圈與接收線圈的距離（10～135cm），測(cè)量輸入輸出端電壓和電流，對(duì)系統(tǒng)傳輸效率進(jìn)行計(jì)算。圖9為系統(tǒng)在頻率固定和頻率跟蹤兩種情況下效率-距離關(guān)系曲線。由跟蹤曲線可知：無線電能傳輸系統(tǒng)加入頻率跟蹤控制可有效提高系統(tǒng)傳輸效率。圖中A點(diǎn)為無線電能傳輸系統(tǒng)的臨界耦合點(diǎn)，該點(diǎn)所決定的范圍即是“電能有效傳輸范圍”。

圖9 頻率固定和頻率跟蹤兩種情況下效率-距離關(guān)系曲線Fig.9 Efficiency-distance characteristic curve with/without frequency tracking

4 總結(jié)

相較于傳統(tǒng)的大電網(wǎng)通過有線連接(即電纜連接)方式為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，本文提出了一種利用微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電的新技術(shù)。為證明系統(tǒng)的正確性與合理性，應(yīng)用Matlab/Simulink對(duì)基于微網(wǎng)的電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)研究進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明光伏與蓄電池組合在白天工作于MPPT模式供電，夜間蓄電池處于單獨(dú)放電模式供電，均能通過無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為電動(dòng)汽車提供較為穩(wěn)定的電壓。無線傳能傳輸部分搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)表明了其可行性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電將具有重要應(yīng)用前景。

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