徐振宇，李帥，陳勇，王文娜

（1.煙臺南山學院工學院，山東 煙臺 265713；2.魯東大學信息與電氣工程學院，山東 煙臺 264025）

目前，電動汽車充電方式有兩大類：有線充電和無線充電。在私人車庫內，有線充電方便且容易實現(xiàn)。但在公共場合下，有線充電操作不方便且存在一定的安全隱患，而無線充電方式相對于有線充電更加方便安全，并且可以適應多種惡劣環(huán)境和天氣[1]。國內外各高校及研究所對電動汽車無線充電的研究，主要集中在系統(tǒng)建模與控制、磁耦合機構、補償拓撲、抗偏移能力以及電磁泄漏、屏蔽等方面[2]。美國高通公司的Halo系統(tǒng)已實現(xiàn)了3.3～20 kW的輸出功率，整機效率大于90%[3]。

應用于電動汽車無線充電的方式是磁耦合諧振式[4-5]。磁耦合諧振式無線充電技術利用LC振蕩電路處于諧振狀態(tài)時，振蕩電路的固有頻率與傳輸電能的頻率相一致時引起電磁共振，發(fā)生強磁耦合，以此實現(xiàn)電能的高效傳輸。無論是寶馬的i8系列車型裝配的高通的Halo無線充電技術，還是汽車零部件制造商博世（Bosch）與美國Evatran公司合作推出的Plugless L2無線充電系統(tǒng)[6]，以及眾多國產(chǎn)電動汽車無線充電裝置的工作方式，其工作模式都是將電動汽車停放到置于地面下的無線充電發(fā)射裝置的正上方，通過電磁感應方式或者諧振耦合方式來進行充電。其充電裝置模型如圖1所示。地下發(fā)射裝置的發(fā)射線圈與電動汽車上接收裝置的接收線圈類似于普通變壓器的原邊與副邊。當電動汽車的接收裝置與地下的發(fā)射裝置完全對準的情況下，二者的互感系數(shù)最大，充電效率可達90%以上。但在電動汽車停放的位置出現(xiàn)偏差，使充電接收端與發(fā)射端之間上下位置不能完全對準的情況下，發(fā)射與接收兩線圈之間的互感系數(shù)降低，發(fā)射裝置中LC電路的電感量降低，由此導致LC電路的固有諧振頻率升高，偏離用于發(fā)射能量的驅動信號的頻率，使電路不再滿足諧振條件。LC振蕩電路失諧后會有諧波產(chǎn)生，充電過程中就會出現(xiàn)輻射。接收端與發(fā)射端之間上下位置偏差越大，輻射越強，充電效率越低。

圖1 無線充電裝置模型Fig.1 Wireless charging device model

司機難以將車開到準確位置，使車上的接收裝置與地下的發(fā)射裝置完全對準。如何降低充電過程中產(chǎn)生的電磁輻射，是當今電動汽車無線充電研究的重點問題[7]。

本文研究了通過檢測驅動電壓信號與LC振蕩電路一端的電壓信號兩者之間的相位差Δθ，判斷LC振蕩電路的失諧程度，即無線充電裝置的地下發(fā)射端與車上的接收端之間相對位置的偏離程度。當發(fā)射與接收裝置之間出現(xiàn)一定偏離時，通過自動增加并入LC電路中的電容來彌補電感量減少的方式，最大限度地使LC振蕩電路保持接近諧振狀態(tài)，減少諧波的產(chǎn)生，降低充電過程中產(chǎn)生的輻射，提高充電效率。以下從電路的設計來分析相位差Δθ的檢測原理，并通過仿真實驗驗證增加并入LC電路中的電容后減少諧波產(chǎn)生（降低輻射）的結果。

1 電路設計與分析

本節(jié)介紹電能發(fā)射的驅動信號產(chǎn)生電路、驅動電路、LC并聯(lián)網(wǎng)絡電路及失諧電壓相移檢測電路的設計，如圖2所示，可供所有無線充電裝置的設計者參考。

圖2 電路原理框圖Fig.2 Circuit schematic diagram

1.1 驅動信號產(chǎn)生電路與驅動電路

圖2中，驅動信號產(chǎn)生電路包括單片機U5、與門集成電路 U1∶A，U1∶B和 D 觸發(fā)器 U2；驅動電路包括兩個共地的場效應管T1，T2。單片機輸出的PWM波（仿真時采用頻率為200 kHz、占空比為50%、振幅為5 V的矩形波），分別輸入給D觸發(fā)器U2和與門電路U1∶A，U1∶B。經(jīng)過D觸發(fā)器U2二分頻，由U2的Q和腳輸出的兩路反相信號，分別與原PWM波一起輸入給與門U1∶A，U1∶B，經(jīng)過兩個與門后，轉換為兩路占空比小于等于1/4周期、頻率為100 kHz的矩形波信號作為驅動信號，用來控制大功率場效應管T1，T2（仿真時采用的型號為IRF830）的導通與關閉，將直流電源Vcc經(jīng)過L C振蕩電路（由地下發(fā)射線圈L1與并聯(lián)的電容C組成）轉換成交流信號。設計的驅動信號頻率與電動汽車在接收裝置和地下發(fā)射裝置完全對準情況下的LC振蕩電路的固有頻率相同。在這種情況下由直流電源Vcc轉換成的交流信號，在經(jīng)過振蕩電路的選頻之后，基波轉換為有用的磁場能量，被車載的接收部分電路接收，而其他的諧波被抑制。在電動汽車停放的位置出現(xiàn)偏差，使充電接收端與發(fā)射端之間上下位置不能完全對準的情況下，LC振蕩電路的固有頻率f0升高，偏離了驅動信號的頻率，出現(xiàn)失諧現(xiàn)象，Vcc轉換成的交流信號中出現(xiàn)諧波。諧波頻率遠高于車載接收電路中的LC諧振頻率（接收部分的LC諧振頻率與發(fā)射的基波頻率接近相同），當諧波通過接收的LC電路時，所呈現(xiàn)的阻抗非常小，在LC電路中產(chǎn)生的電動勢可以忽略，即諧波產(chǎn)生的磁場能量不易被接收電路所吸收，而是成為電磁噪聲被輻射。

1.2 LC并聯(lián)網(wǎng)絡電路中電壓相移的檢測與修正

圖2中，在發(fā)射線圈L1（位于地下）與接收線圈L2（地上車載部分）對不準的情況下，它們之間的互感系數(shù)減小[8]，LC并聯(lián)網(wǎng)絡電路的固有頻率f0升高，與驅動信號的頻率出現(xiàn)偏差，出現(xiàn)電路失諧現(xiàn)象，導致漏磁（沒有被接收線圈吸收的磁能量）程度大，電磁輻射增強。為了使LC并聯(lián)電路在工作時處于諧振狀態(tài)，我們需要測得電路的失諧程度，然后通過增加并聯(lián)電容對電路進行修正

LC并聯(lián)網(wǎng)絡中的阻抗幅角θ的大小反映出失諧的程度，會影響到驅動電壓信號與LC振蕩電路電壓信號之間的相移。文中通過單片機自動檢測LC并聯(lián)網(wǎng)絡電路電壓信號相對驅動信號的相移，判斷失諧程度，然后通過接入相應的電容進行補償、修正。阻抗幅角θ可以由理論計算得出。

1.2.1 LC并聯(lián)網(wǎng)絡中阻抗幅角的理論計算

圖2中，LC并聯(lián)網(wǎng)絡不處于諧振狀態(tài)時，阻抗Z可以由下式[9]得出：

式中：ω為輸入并聯(lián)網(wǎng)絡信號的頻率，即圖2電路中驅動信號頻率；ω0為發(fā)射端振蕩電路的固有頻率，隨發(fā)射與接收兩裝置對不準的狀態(tài)變化而變化；C為振蕩電路的總電容；L為振蕩電路的總電感，包括接收端對發(fā)射端所產(chǎn)生的互感；r為電感L的內阻；R0為諧振阻抗；Q為振蕩電路的品質因數(shù)。

由式（1）得出阻抗幅角θ的計算式：

阻抗幅角θ為0時，電路處于諧振狀態(tài)。根據(jù)θ的大小，可以判斷出電路的失諧程度，即充電發(fā)射端與接收端的對不準程度。進而根據(jù)不同的失諧程度來進行修正，保證電路接近處于諧振狀態(tài)，降低充電過程中產(chǎn)生的輻射，減少在充電過程中能量的損耗，提高充電效率。

1.2.2 LC并聯(lián)網(wǎng)絡電路中電壓信號相移的檢測與失諧補償

圖2中，為了使LC并聯(lián)網(wǎng)絡電路保持在諧振狀態(tài)，我們需要測得地下發(fā)射部分與車載接收部分對不準的程度，即振蕩電路的失諧程度，并根據(jù)不同狀態(tài)下的失諧程度（漏磁程度）來改變電路中電容（C1-1，C1-2，C2-1，C2-2，…，Cn-1，Cn-2等）的接入量，使電路接近保持在諧振狀態(tài)。失諧程度由θ的大小所決定。θ的大小與驅動信號產(chǎn)生電路的輸出端（圖2中B點）電壓信號與LC振蕩電路一端的電壓信號（圖2中F點）之間的相位差Δθ相關。Δθ與上述并聯(lián)諧振電路的阻抗幅角θ并不相同，可由實驗測出Δθ與θ的對應關系，即Δθ與發(fā)射端和接收端之間對不準程度的對應關系。

圖2中，B點的電壓信號直接反饋給單片機；F點的電壓信號由R1，R2分壓后，再經(jīng)過電壓跟隨器 U3：A及低通濾波器（U3∶B，R3，R4，R5，C9，C10等組成）濾除諧波得到基波信號，該基波信號分為兩路信號進行傳輸，一路經(jīng)過電壓比較電路（U4：A，R6，R7，R8，R9，C11等組成）后形成矩形波信號（圖2中G點的電壓信號）傳輸?shù)絾纹瑱CU5，由單片機計算出B，G兩點信號的相位差Δθ的大小。在實際應用前，需要通過實驗測出不同失諧程度（充電裝置發(fā)射端與接收端上下位置的偏離程度）所對應的電壓相位差Δθ1，Δθ2…與修正其所需要并入的電容量二者的對應關系，并將這組對應關系的數(shù)據(jù)存入單片機EEPROM中。在實際應用時，電壓相位差檢測電路檢測出的Δθ與Δθ1，Δθ2…作比較，得出電路的失諧程度，再通過并入相應的電容使振蕩電路盡量保持在諧振狀態(tài)。

另外，低通濾波器輸出基波信號的另一路經(jīng)過電壓跟隨器 U4∶B及檢波電路（R10，R11，C12，D1等組成）之后，輸入到單片機的A/D轉換端口，由單片機內部的A/D轉換電路轉換成數(shù)字量，經(jīng)單片機內部的程序讀取后得知原邊線圈輸出電壓的大小，由此判斷出副邊接收端所獲得的充電能力的大小。單片機可以及時修改PWM波的占空比，使副邊接收端能獲得合適的充電能力。

2 仿真實驗與數(shù)據(jù)分析

地下發(fā)射部分線圈（原邊）與車載接收部分線圈（副邊）對不準產(chǎn)生偏離時，兩線圈之間的互感系數(shù)減小，原邊的LC電路中的電感量減小，固有頻率升高，導致驅動信號的頻率低于電路的固有頻率而失諧，因而產(chǎn)生諧波，造成電磁輻射，形成漏磁現(xiàn)象。偏離越大，失諧越嚴重，產(chǎn)生的漏磁程度越高。在實際電路設計時，發(fā)射線圈的電感量與需要發(fā)射的功率相關，對于大功率的充電裝置，發(fā)射線圈的電感量要小。在設計無線充電裝置時，發(fā)射與接收間的互感系數(shù)是無法計算的，可選擇數(shù)個不同的對不準的實際的狀態(tài)，測試出具體型號裝置在該狀態(tài)下的互感系數(shù)，即測試出Δθ1，Δθ2，…，Δθn及需要并聯(lián)的電容量C1-1，C1-2，C2-1，C2-2，…，Cn-1，Cn-2。下面針對圖 2 原理，以一個小功率的無線充電模型通過Multisim仿真軟件進行仿真，仿真時原邊線圈（模擬發(fā)射端）匝數(shù)為20，并聯(lián)電容為250 nF，副邊線圈（模擬接收端）匝數(shù)為20。通過改變原、副邊的互感系數(shù)，選擇了漏磁程度在0%，5%，50%時的幾種情況，來模擬發(fā)射端與接收端對不準時，有0%，5%，50%的電能形成諧波產(chǎn)生電磁輻射的狀態(tài)。圖2中B點及R1兩端（可代替LC電路兩端）在不同漏磁程度下的電壓波形圖如圖3所示。從圖中可以看出，隨著漏磁程度的升高，原邊LC電路兩端電壓的相移增大，即Δθ增大，波形中的諧波成分增多，電磁輻射會增強。

圖3 不同漏磁程度下B點與R1兩端的電壓波形圖Fig.3 Voltage waveforms of point B and R1 under different magnetic flux leakage

圖4中列出了在無漏磁、15%的漏磁（模擬發(fā)射端與接收端的一個相對狀態(tài)）及15%的漏磁情況下閉合相應的開關并入45 nF的電容進行補償修正后的B點及R1兩端的電壓波形圖。

通過對比圖4a～圖4c可以看出，經(jīng)過補償修正之后得到的發(fā)射端LC電路電壓波形與無漏磁狀態(tài)下的電壓波形幾乎相同。可以得出，電路在經(jīng)過補償修正之后，振蕩電路接近諧振狀態(tài)，基波得到保留，產(chǎn)生較好的正弦波用于傳輸電能，諧波得到抑制，降低充電過程中產(chǎn)生的輻射。

圖4 修正前后的電壓波形圖Fig.4 Voltage waveforms before and after correction

實際電路在不同漏磁情況下需要并入多大的電容才能獲得補償修正，可通過試驗得出。表1給出了通過仿真實驗得出的在不同漏磁程度下調整到諧振狀態(tài)，需要增加并聯(lián)的電容量。在無漏磁程度下并聯(lián)的電容為250 nF。

表1 不同漏磁程度下保持諧振狀態(tài)需要并聯(lián)的電容量Tab.1 Parallel capacitance is required to maintain resonance at different leakage levels

3 程序設計

圖2中，單片機接收到充電命令后，開始啟動充電。此時，電容的接入情況是在完全對準情況下的電容C。單片機開始檢測B點與F點之間的電壓相位差來判斷失諧程度，如果不處于諧振狀態(tài)，改變電容的接入量，使諧振電路接近諧振狀態(tài)。如果已經(jīng)接近諧振狀態(tài)，單片機檢測經(jīng)過檢波得到的輸出電壓的大小。如果輸出電壓過小，調整PWM波的占空比，提高原邊充電電壓（不能過高）；如果輸出電壓過高，調整PWM波的占空比[10]，降低輸出電壓。如果電壓合適，單片機判斷是否接收到停止充電的命令。如果沒有收到，循環(huán)上述工作，繼續(xù)充電過程；如果收到停止充電的命令，停止充電。

圖2中單片機的程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機無線充電過程程序流程圖Fig.5 Procedure flow chart of wireless charging process for single chip computer

4 結論

通過上述仿真實驗可見，在不同的失諧程度下，通過控制電容并聯(lián)網(wǎng)絡接入相應大小的電容進行修正后，諧波得到抑制，使得電磁輻射降低，產(chǎn)生較好的正弦波用于傳輸電能。這說明了在設計無線充電裝置時，可選擇數(shù)個不同的對不準的實際的狀態(tài)，測試出對應當?shù)摩う?，Δθ2，…，Δθn及需要并聯(lián)的電容量C1-1，C1-2，C2-1，C2-2，…，Cn-1，Cn-2作為電路的參數(shù)。在應用中，停車位置出現(xiàn)偏差，即發(fā)射裝置所輸出的電磁能量存在較多的漏磁時，經(jīng)過電路自動修正之后，是可以抑制LC電路中的諧波，降低充電過程中產(chǎn)生的電磁輻射，減少充電過程中能量的損耗，提高充電效率。