徐位君 ， 談 宸 ， 楊書明

（荊楚理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖北 荊門 448000）

0 引言

電動(dòng)汽車不但是世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一個(gè)重要方向，同時(shí)也是解決環(huán)境污染問題的一個(gè)重要途徑。目前電動(dòng)汽車的研究進(jìn)行得如火如荼，不管是國內(nèi)還是國外都在致力于其中[1]。電動(dòng)汽車的充電方式有兩種，即有線充電和無線充電。有線充電雖然應(yīng)用廣泛，但是目前充電樁充電的時(shí)間比較長(zhǎng)，并且充電多次拔插電源，存在安全隱患，充電線也會(huì)磨損，嚴(yán)重導(dǎo)致?lián)p壞[2]。無線充電能很好地避開這些問題，并且沒有接觸損耗與機(jī)械磨損等問題。投入在無線充電領(lǐng)域的研究很多，其充電方式也十分豐富，各具特色。在這些無線充電方式中，磁耦合諧振無線充電是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[3-4]。

目前，國內(nèi)外電動(dòng)汽車磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)模型并不完善，沒有完整的應(yīng)用到電動(dòng)汽車上的磁耦合諧振無線充電系統(tǒng)模型，同時(shí)也缺乏具體的一些優(yōu)化控制策略，并且?guī)缀鯖]有考慮到充電時(shí)電池端的安全問題。文中對(duì)磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)進(jìn)行了搭建，系統(tǒng)采用S-LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，并且將電池端的實(shí)時(shí)電壓電流與溫度反饋給輸入端。文中利用Matlab/Simulink搭建了一個(gè)完整的應(yīng)用到電動(dòng)汽車上的電動(dòng)汽車磁耦合諧振無線充電系統(tǒng)模型，通過仿真得到充電時(shí)的實(shí)時(shí)電壓、電流以溫度，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析與對(duì)比，結(jié)果表明，能很好為后期搭建演示實(shí)驗(yàn)臺(tái)架提供更好理論依據(jù)。

1 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)主要包括以下部分：高頻DC/AC逆變器、磁耦合諧振電能傳輸、整流濾波部分、電壓、電流、溫度信息采集部分以及主控制器與二次側(cè)控制器，如圖1所示。首先，直流電經(jīng)過高頻DC/AC逆變器，將直流電變?yōu)楦哳l交流電，然后加在磁耦合諧振電路中的一次側(cè)輸入端，線圈因有高頻交流電注入而產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，二次側(cè)線圈在高頻交變磁場(chǎng)中感應(yīng)產(chǎn)生高頻交流電，再經(jīng)過整流濾波成直流電，從而給電池充電。在其中加入了功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，防止高溫或者過電壓影響電池安全性以及使用壽命。

圖1 電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)圖

此外，電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的一次側(cè)和二次側(cè)需要進(jìn)行信息的交換，此時(shí)需要無線通信系統(tǒng)，在一次側(cè)與二次側(cè)分別設(shè)置了控制器，兩者通過無線通訊系統(tǒng)連接，二次側(cè)控制器可控制整流濾波部分與功率調(diào)節(jié)部分，同時(shí)將從電池端采集到的電壓電流溫度信息通過無線通信傳遞給主控制器，以此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，主控制器通過得到的信息，將需要采取的措施傳遞給二次側(cè)控制器，以此通過控制功率調(diào)節(jié)來保證充電時(shí)的安全。

2 電動(dòng)汽車無線充電補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中的傳輸線圈間為松耦合，其系統(tǒng)無功功率較高，則需要加入諧振線圈來提升傳輸效率。諧振網(wǎng)絡(luò)又可稱補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，正常情況下它與一次側(cè)線圈發(fā)生諧振，從而達(dá)到提升傳輸效率的效果和調(diào)整輸出輸入特性等?，F(xiàn)在市面上常用的主要是串聯(lián)（Series，S）補(bǔ)償、并聯(lián)（Parallel，P）補(bǔ)償和串并聯(lián)（LCL）補(bǔ)償及其他一些在此基礎(chǔ)上衍生的復(fù)合補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)[5]。

對(duì)于一次側(cè)而言，S型補(bǔ)償拓?fù)淇膳c電壓源型逆變器直接相連，輸入阻抗較低且損耗小，易實(shí)現(xiàn)電壓反饋調(diào)節(jié)作用；P型補(bǔ)償拓?fù)渲苯有枰娏髟垂╇?，易受擾動(dòng)，在實(shí)際生活中較少應(yīng)用；LCL型補(bǔ)償拓?fù)淠苁挂淮蝹?cè)發(fā)射線圈的電流保持穩(wěn)定呈現(xiàn)出恒流源特性[6]，較適用于多負(fù)載傳輸。

對(duì)于二次側(cè)而言，S型補(bǔ)償拓?fù)淠軌虮３蛛妷悍€(wěn)定，可近似于恒壓源的輸出特性。P型補(bǔ)償拓?fù)鋭t能夠獲得類似恒流源的輸出特性[7]，LCL型拓?fù)淠苓M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，同時(shí)避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)一次側(cè)造成的過電流問題。

在LCL諧振的基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[8]提出了LCC諧振網(wǎng)絡(luò)，即在發(fā)射線圈支路上額外串入電容。該電路穩(wěn)態(tài)條件下可等效成為L(zhǎng)CL電路[9]，通過合理選擇串入的電容值來調(diào)整發(fā)射線圈上的電流，同時(shí)可以隔離電源側(cè)的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化。

考慮到電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中，輸入端通常為電壓源，二次側(cè)需要獲得類似恒壓源的輸出特性，且LCL型拓?fù)淠苓M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輸出電流與負(fù)載的解耦，同時(shí)避免二次側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)一次側(cè)造成的過電流問題，所以在此選擇了S-LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，如圖2所示，其中M為傳輸線圈間互感；L1、R1、L2、R2分別為發(fā)射、接收線圈的電感和等效電阻；C1、C2、L′2分別為一次側(cè)、二次側(cè)的諧振電容和諧振電感；RL為負(fù)載電阻；U為電源電壓。

圖2 S-LCL補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

3 電動(dòng)汽車電池端安全檢測(cè)

在目前大多數(shù)的無線充電系統(tǒng)中，都未考慮到在無線充電時(shí)的電池安全問題，例如充電過程中的過電壓、過電流、溫度過高等，這些問題極易導(dǎo)致電池壽命減短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)毀壞電池甚至整個(gè)系統(tǒng)。所以無線充電系統(tǒng)中亟需一個(gè)實(shí)時(shí)的監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)地顯示充電時(shí)的電壓、電流以及電池的溫度，以此來保障電池在無線充電時(shí)的安全問題。

在無線充電系統(tǒng)的一二次測(cè)，分別設(shè)置有主控制器與二次側(cè)控制器，它們之間通過WiFi連接，二次側(cè)控制器將二次側(cè)采集到的信息（充電電壓、電池電壓、電流、溫度）傳遞給主控制器，主控制器通過自動(dòng)或者人工，采取相應(yīng)的措施，或者將指令傳給二次側(cè)控制器，二次側(cè)控制器再通過功率調(diào)節(jié)，解決相應(yīng)的問題。

對(duì)于電壓電流的采集，直接將電池兩端的電壓與通過電池的電流，運(yùn)用電子儀器將電壓與電流信息采集，將采取的電壓與電流傳遞給二次側(cè)控制器，該電壓電流可直接顯示到顯示屏上；對(duì)于電池的溫度，運(yùn)用溫度傳感器，將采集到的溫度，實(shí)時(shí)顯示到顯示屏上。電池端電壓、電流、溫度都能得到實(shí)時(shí)的檢測(cè)，讓電動(dòng)汽車能夠放心地進(jìn)行充電。

4 系統(tǒng)仿真與分析

這里仿真采用的數(shù)據(jù)為：U=400V、f=13.56kHz、L1=25.39μH、L2=24.55μH、C1=10.75nF、C2=22.69nF、L`2=35.87μH、R1=25Ω、R2=25Ω、RL=10Ω。在仿真模型設(shè)計(jì)中，模擬設(shè)定時(shí)間為1h時(shí)，給系統(tǒng)一個(gè)過電壓，觀察其各項(xiàng)參數(shù)的變化。

如圖3、圖4、圖5所示，正常充電狀態(tài)時(shí)，電池組電壓緩慢升高，充電電流恒定不變，也就是充電的第一階段—恒流充電模式。在時(shí)間為1h時(shí)電壓升高后，圖3中有個(gè)沖擊電壓波形，但迅速下降，回歸到正常狀態(tài)。圖4中電池組電壓在整個(gè)過程保持正常狀態(tài)，圖5中電流在出現(xiàn)過電壓的時(shí)候，瞬間值直接降為0，起到了保護(hù)電池組的作用，其后回歸正常工作狀態(tài)。

整個(gè)充電過程中，電池溫度保持地較好，如圖6所示。從圖7中可以看到，電池充電電量滿足日常的“先快后慢”狀態(tài)，未出現(xiàn)異常情況。

圖3 充電電壓圖

圖4 電池組電壓圖

圖5 充電電流圖

圖6 電池溫度模擬圖

從仿真圖上得出的數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在外界電壓升高的影響下，其系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，電池充電電壓、電流保持穩(wěn)定，充電過程溫度未越限，整個(gè)系統(tǒng)工作表現(xiàn)良好。

圖7 電池電量圖

5 總結(jié)

文章提出了一種S-LCL型磁耦合安全型充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一二次的控制器，將二次側(cè)信息進(jìn)行收集后于一次側(cè)進(jìn)行分享，從而監(jiān)視整個(gè)充電過程，保障無線充電的安全性。

搭建了Simulink模型，仿真表明該系統(tǒng)在有外界過電壓的情況下，仍能保持正常的CC-CV充電狀態(tài)，且整個(gè)充電過程中電池溫度保持較好的狀態(tài)，滿足電動(dòng)汽車無線充電的安全性標(biāo)準(zhǔn)，表明該系統(tǒng)能夠在電動(dòng)汽車無線充電時(shí)對(duì)汽車進(jìn)行全方位的監(jiān)視與保護(hù)，避免事故發(fā)生。