湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高巧玲

株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司 秦燦華

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 余 娟

感應(yīng)耦合電動汽車無線充電的關(guān)鍵因素分析

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 高巧玲

株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司 秦燦華

湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 余 娟

感應(yīng)耦合無線電能傳輸相比較微波式、電磁諧振式耦合，具有充電效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是比較適合電動汽車非接觸式充電的，現(xiàn)在的國內(nèi)外學(xué)者正大力研究。本文主要分析影響感應(yīng)耦合電動汽車無線電能傳輸?shù)男实年P(guān)鍵因素。分別從逆變電路和松耦合變壓器入手，包括頻率、互感值、原副邊線圈內(nèi)阻及負(fù)載對系統(tǒng)傳輸功率和效率的影響。

感應(yīng)耦合；電動汽車；無線充電；效率

0 引言

新型環(huán)保電動汽車的出現(xiàn)，可以緩解全球能源危機(jī)及環(huán)境污染雙重問題，而目前的充電方式限制了電動汽車的普及，目前的充電方式都是采取有線充電，通過人工插拔，用電纜將電動汽車上的負(fù)載電池和充電樁連接，這種方式安全隱患較多，容易出現(xiàn)漏電和觸電危險(xiǎn)，且應(yīng)用范圍不廣。無線電能傳輸可以解決有線充電的弊端，通過非接觸式傳輸電能，如圖1所示，通過分離發(fā)射和接收裝置，通過無線方式實(shí)現(xiàn)電動汽車的充電，發(fā)射裝置埋設(shè)于路下，接收裝置安裝在電動汽車的底盤上，當(dāng)發(fā)射裝置感應(yīng)到接收裝置時(shí)進(jìn)行能量的傳輸，這種方式不僅可以用于給停靠的電動汽車進(jìn)行充電，還可以在行駛過程中進(jìn)行充電，解決了電池容量低，續(xù)航能力差的問題。根據(jù)能量發(fā)射裝置和能量接收裝置實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)姆绞?，目前的電動汽車無線充電方式主要有兩種：感應(yīng)耦合式和諧振式，本文主要針對感應(yīng)耦合式的電動汽車無線充電方式進(jìn)行研究。

圖1 電動汽車無線充電系統(tǒng)

1 電動汽車感應(yīng)耦合無線充電系統(tǒng)

感應(yīng)耦合無線充電系統(tǒng)根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者相互依存就形成了電磁場。如圖2所示通過從電網(wǎng)電壓取電，經(jīng)過整流濾波、高頻逆變產(chǎn)生高頻交流電通過初級線圈傳送給次級接收線圈，接收端將接收到交流通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流，然后通過DC-DC電路轉(zhuǎn)換成負(fù)載電池組所需要的電壓，整個(gè)過程發(fā)射端和接收端無電氣連接，實(shí)現(xiàn)了無線充電。該系統(tǒng)中，整流濾波電路完成將交流電變成直流電，高頻逆變電路將工頻直流電轉(zhuǎn)化為高頻交流，由于初級線圈和次級線圈間存在氣隙，所以叫做松耦合變壓器。根據(jù)系統(tǒng)組成可知，高頻逆變部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵，該電路的效率、穩(wěn)定性及可靠性影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，其次就是松耦合變壓器，原副邊氣隙較大，導(dǎo)致耦合系數(shù)低、漏感大。

圖2 感應(yīng)耦合無線充電系統(tǒng)

2 影響感應(yīng)電動汽車無線充電的關(guān)鍵因素

根據(jù)電動汽車無線充電系統(tǒng)可知，影響電動汽車無線充電的關(guān)鍵因素主要有高頻逆變電路，松耦合變壓器、負(fù)載電阻等等，本文就高頻逆變電路的設(shè)計(jì)和松耦合變壓器和負(fù)載電阻對整個(gè)系統(tǒng)的效率的影響進(jìn)行分析。

3 高頻逆變電路對系統(tǒng)效率的影響

高頻逆變電路是松耦合變壓器前端，它將從電網(wǎng)獲得的交流經(jīng)過整流濾波電路后逆變成高頻交流，高頻交流通過松耦合變壓器的原邊線圈發(fā)射給次級線圈，它的效率、穩(wěn)定性和可靠性影響整個(gè)充電系統(tǒng)的性能。高頻逆變電路根據(jù)結(jié)構(gòu)分為半橋逆變和全橋逆變，半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是輸出電壓只有輸入電壓的一半，在相同功率需求下，傳輸損耗大，且它適用于功率在500W以下的情況，所以一般不用在電動汽車無線充電系統(tǒng)的發(fā)射端。全橋逆變由四個(gè)高頻功率開關(guān)管組成，控制開關(guān)管就可以控制輸出功率，輸出功率大，轉(zhuǎn)換效率高，可以采用軟開關(guān)技術(shù)，電動汽車無線充電需要大功率，且要求效率高，所以電動汽車無線充電系統(tǒng)一般采取全橋逆變。

4 松耦合變壓器對系統(tǒng)效率的影響

電動汽車無線充電系統(tǒng)中的松耦合變壓器，初級線圈部分埋設(shè)于地下，次級部分在汽車底盤上，底盤和地面存在豎直方向的氣隙，如果在水平位置沒有對準(zhǔn)，還存在水平偏移，所以電動汽車無線充電系統(tǒng)中的松耦合變壓器的耦合系數(shù)通常在0.8以下，漏感較大，漏感大，系統(tǒng)的無功功率大，為了提高系統(tǒng)效率，需要增加補(bǔ)償電容進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償電路按照原副邊電容的串并聯(lián)方式分為串聯(lián)-串聯(lián)（SS）、串聯(lián)-并聯(lián)（SP）、并聯(lián)-串聯(lián)（PS）和并聯(lián)-并聯(lián)（PP），本文以SS結(jié)構(gòu)為例，說明功率和效率的關(guān)系，根據(jù)[6]可知輸出功率和效率的表達(dá)式為：

其中RP為原邊線圈內(nèi)阻，RS為副邊線圈內(nèi)阻，RL為負(fù)載，M為互感，ω為工作頻率，Pout為輸出功率，η為效率，由式可知系統(tǒng)的傳輸功率和效率主要和頻率、互感值、原副邊線圈內(nèi)阻及負(fù)載有關(guān)。

通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)，在其他條件相同的情況下，改變互感值M，得到M對效率的影響為：隨著M的增大，Pout慢慢增大，M到24μH時(shí)，Pout最大，再增大M，Pout下降。而M主要是受耦合系數(shù)K的影響，如果采用漏感模型，可以得到Pout、η和耦合系數(shù)之間的關(guān)系，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，效率會隨著耦合系數(shù)的增大而增大，當(dāng)處于緊耦合，即K＞0.5時(shí)，效率η＞90%，隨著K增大，Pout也增大，Pout增大到最大值時(shí)會下降，此時(shí)K≈0.15，η≈90%，為了平衡輸出功率和效率的關(guān)系，一般要求耦合系數(shù)至少在0.2-0.3，這時(shí)功率和效率相對較高。

因?yàn)棣?2π f，代入式（1-1）中，可知輸出功率和效率與頻率的關(guān)系，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效率會隨著頻率的增加而增大，當(dāng)頻率到達(dá)10KHZ左右，效率基本保持不變，而輸出功率開始隨著頻率增大而增大，然后達(dá)到最大值后隨著頻率增大而下降。輸出功率和效率不能同時(shí)達(dá)到最大，所以設(shè)計(jì)電路時(shí)要綜合考慮，使得在最大功率傳輸時(shí)效率也能滿足要求。

電動汽車上的無線接收裝置和地面下的無線發(fā)射裝置，一旦確定很難更改，所以本文假設(shè)原副線圈內(nèi)阻為定值，根據(jù)式（1-1），輸出功率和效率，還與負(fù)載電阻有關(guān)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，隨著負(fù)載的增大，效率先急劇上升，輸出功率也增加，在負(fù)載等于500歐姆時(shí)，輸出功率最大，在0-50歐姆時(shí)效率高于90%，超過500歐姆后效率只有不到50%。

5 結(jié)論

本文主要從逆變電路和松耦合變壓器電路進(jìn)行入手，講述了影響感應(yīng)耦合電動汽車無線充電的關(guān)鍵因素—頻率、互感值、負(fù)載電阻。

[1]程鵬天．基于感應(yīng)耦合電能傳輸方式的電動汽車充電裝置研究[D]．北京交通大學(xué),2014．

[2]王彬．非接觸電能傳輸系統(tǒng)傳輸效率相關(guān)問題研究[D]．南京郵電大學(xué),2015．

[3]黃敏．基于電磁感應(yīng)的車載無線充電系統(tǒng)[D]．華東理工大學(xué),2016．

[4]郭贏．電動汽車感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究[D]．東北電力大學(xué),2016．

[5]張國興．電動汽車用感應(yīng)耦合輸電系統(tǒng)研究[D]．河北工程大學(xué),2017．

[6]趙金萍．高效率電動汽車無線充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]．天津工業(yè)大學(xué),2017．

注：本課題是湖南省教育廳課題（課題號：15C0902）。