电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统研究_方楚良

磁耦合谐振 式 无 线 电 能 传 输 系 统 框 图 如 图 ３，系 统分为主电路和控制电路两部分。
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图 ２ 电 动 汽 车 无 线 充 电 系 统 框 图
图 ３ 系 统 框 图
在主电路部分，单 相 交 流 输 入 经 不 控 整 流 滤 波 转 换为稳定的直流电压Ｕｔ，通过 功 率 调 节 可 改 变 直 流 电 压的大小以适应实际需要。经过全桥逆变电路转变为 高频交流电，输出电压为Ｕ１，发 射 线 圈 Ｌ１与 谐 振 电 容 Ｃ１ 组 成 串 联 谐 振 回 路，当 交 流 电 频 率 为 ｆ１ ＝
现阶段无线电能 传 输 主 要 有 三 种 技 术：感 应 耦 合 技 术 、磁 耦 合 谐 振 技 术 ，以 及 远 场 辐 射 技 术 。 其 中 感 应 耦合技术原理简单，实 现 容 易，但 是 传 输 距 离 很 短，线 圈位移以及频率变化对传输效率的影响较大。远场辐 射技术通过激光束方 式 传 播 电 能，目 前 的 研 究 依 然 处 在理论阶段，同时这 种 无 线 电 能 传 播 方 式 不 适 用 于 电 动汽车无线充电 。 ［２］ 而磁耦合谐振式无线充电技 术 是 中等距离的无线电能 传 输 技 术，在 空 间 相 对 位 置 下 能 量 损 耗 小 ，且 传 输 稳 定 ，同 时 电 磁 辐 射 对 人 体 的 影 响 极 小［３］，因此电动汽车 采 用 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 充 电 技 术
使电路始终处于谐振 状 态，使 其 在 发 射 线 圈 和 接 收 线
圈具有横向错位时可保持相对最优传输功率。
２ 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 充 电 系 统 设 计
电动汽车 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 充 电 系 统 构 成 如 图 ２，一 般 采 用 车 底 充 电 ，即 发 射 端 安 装 于 地 下 ，发 射 线 圈 水 平 放 置 于 地 面 ，接 收 端 安 装 于 电 动 汽 车 上 ，接 收 线 圈 置于车底。发射线 圈 与 接 收 线 圈 距 离 为 ｄ，二 者 横 向 错位距 离 为ｌ。 输 入 电 源 经 过 能 量 变 换 通 过 发 射 线 圈 ，使 发 射 线 圈 产 生 谐 振 ，从 而 与 接 收 线 圈 产 生 磁 场 耦 合，实现电能传输。 然 后 在 接 收 端 通 过 能 量 调 理 将 电 能传输至超级电容储能。
２π 槡ＬＣ
Ｃ２。因此，对 Ｌ１ 和 Ｌ２，以 及 Ｃ１ 和 Ｃ２ 选 取 适 当 的 参 数 后 ，即 可 确 定 电 路 的 谐 振 频 率 。
由 式 （１）及 式 （２）求 得 ：
烄Ｉ１
＝
ＵｓＺ２ Ｚ１Ｚ２ ＋ω２ Ｍ２
烅
Ｉ２ 烆
＝
ｊωＭＵｓ Ｚ１Ｚ２ ＋ω２Ｍ２
据此可计算发射端阻抗为：
（３）
关 键 词 ：电 动 汽 车 ；磁 耦 合 谐 振 ；等 效 模 型 ；无 线 充 电
中 图 分 类 号 ：ＴＭ６４６
文 献 标 识 码 ：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｈａｒｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ
ຫໍສະໝຸດ Baidu
ＦＡＮＧ Ｃｈｕ－ｌａｎｇ，ＳＨＥＮ Ｊｉｎ－ｆｅｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ，Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ａ ｈｏｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏｐｉｃ．Ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａ１ ｋＷ ７０ ｋＨｚ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｏｒｋｓ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ．
２０１５ 年 ３ 月 ２５ 日 第 ３２ 卷 第 ２ 期
方 楚 良 ，等 ： 电 动 汽 车 磁 耦 合 谐 振 式 无线充电系统研究
Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ．２５，２０１５，Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．２
摘要：电动汽车无线充电是一个热门研究方向。依据磁耦合谐振式 无 线 电 能 传 输 原 理 ，设 计 了 一 种 磁 耦 合 谐 振 式 无
线充电装置，对传输功率以及传输效率影响因素进行了分 析，并 给 出 了 系 统 设 计。 最 后 制 作 了 一 台 功 率 为 １ ｋＷ，磁 耦 合
谐 振 频 率 ７０ ｋＨｚ的 电 动 汽 车 无 线 充 电 实 验 装 置 。 样 机 实 验 结 果 表 明 系 统 稳 定 ，运 行 效 果 理 想 。
在 控 制 电 路 部 分 ，功 率 调 节 采 用 直 流 斩 波 调 功 ，调 节斩波器开关管的导通时间就可得到介于 ０～Ｕｔ之间 的电压。发射端 谐 振 回 路 电 流 Ｉ１ 通 过 反 馈 电 流 检 测 电路变换成同频率的 方 波 电 压，经 频 率 跟 踪 电 路 产 生 频率跟踪信号，输入 ＰＷＭ 信号产生电路，产生所需谐 振频率的 ＰＷＭ 控制 信 号，经 驱 动 电 路 控 制 全 桥 逆 变 电路的开关管。同时为防止全桥逆变电路上下桥臂直 通 短 路 ，在 上 下 桥 臂 的 驱 动 信 号 间 保 留 了 很 小 的 死 区 ， 因此发射端电路工作在感性状态，即电 压Ｕ１超 前 电 流 Ｉ１，实 现 零 电 压 开 通 及 小 电 流 关 断 。
图 １ 传 输 系 统 等 效 模 型
由基尔 霍 夫 电 压 定 律 （ＫＶＬ）对 等 效 模 型 列 方 程 可得：
式中，
｛Ｕｓ ＝ Ｚ１Ｉ１ －ｊωＭ Ｉ２
０＝ Ｚ２Ｉ２ －ｊωＭＩ１
（１）
烄Ｚ１ ＝ Ｒ１ ＋ｊωＬ１ ＋ｊω１Ｃ１
烅 Ｚ２
烆
＝
Ｒ２
＋ＲＬ
＋ｊωＬ２
＋ｊω１Ｃ２
（２）
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收 稿 日 期 ：２０１４－１２－１０ 基 金 项 目 ：江 苏 省 产 学 研 创 新 项 目 基 金 （ＢＹ２０１２０６９）。 作者 简 介：方 楚 良 （１９８９－），男，江 苏 无 锡 人，硕 士 研 究 生，研 究 方 向 ：电 力 电 子 与 电 力 传 动 。 沈锦飞（１９５５－），男，教 授，主 要 研 究 方 向：电 力 电 子 与 电 力 传 动。
＝πμ２０γｄ４３ Ｎ２来表示，式中，μ０为空间磁导率，ｄ 为发 射 线
圈和接收线圈的距离，γ 为线圈半径，Ｎ 为线圈匝数。
由式（５）及式（６）可 看 出，当 线 圈 参 数 以 及 谐 振 电
容确定 后，系 统 传 输 功 率 以 及 传 输 效 率 只 与 ω 以 及ｄ 有 关 ，即 只 与 频 率 与 线 圈 距 离 有 关 ，与 发 射 线 圈 和 接 收 线圈的横向错位无关 。 ［６］ 因此，在无线电能传输 中，应
ＰＬ 为 ：
烄ＰＥ
＝
Ｕ２ｓＺ２ Ｚ１Ｚ２ ＋ω２ Ｍ２
烅
ＰＬ 烆
＝
ω２ Ｍ２ ＵｓＲＬ （Ｚ１Ｚ２ ＋ω２ Ｍ２）２
由 式 （５）求 得 系 统 传 输 效 率 为
（５）
η＝
ＰＬ ＰＥ
＝ ＵｓＺ２（ωＺ２１ ＺＭ２２ Ｒ＋Ｌω２ Ｍ２）×１００％
（６）
发射线圈与接收线圈的互感 Ｍ 可近似由公式 Ｍ
３ 实 验 与 分 析
设计并制作了一台功率１ ｋＷ 的小型电动车磁耦 合谐振式充电装置，如 图 ４ 所 示。 发 射 线 圈 与 接 收 线 圈均为３０匝，半 径 为 ０．２ ｍ，背 面 采 用 正 方 形 导 磁 片 拼接，导 磁 片 边 长 为 ０．１ ｍ，谐 振 补 偿 电 容 Ｃ１ ＝Ｃ２ ＝ ３０ ｎＦ，发射端与接收 端 传 输 距 离 为 ｄ＝０．２５ ｍ，小 车
２０１５ 年 ３ 月 ２５ 日 第 ３２ 卷 第 ２ 期
文 章 编 号 ：１００９－３６６４（２０１５）０２－００２９－０３
Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｍａｒ．２５，２０１５，Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．２
研制开发
电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统研究
方 楚 良 ，沈 锦 飞 （江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 ２１４１２２）
ＺＴ
＝
Ｕｓ Ｉ１
＝ Ｚ１ ＋ωＺ２ Ｍ２ ２
（４）
由
式
（４）可
知ω２ Ｍ２ Ｚ２
为
接
收
端
至
发
射
端
的
反
映
阻
抗。当发生谐 振 时，阻 抗 虚 部 为 ０，即 Ｚ１ ＝Ｒ１，Ｚ２ ＝
Ｒ２ ＋ＲＬ ，接收端对发射端的反映阻抗为阻性。
根据式（３）的 结 果 求 得 电 源 功 率 ＰＥ 与 负 载 功 率
２０１５ 年 ３ 月 ２５ 日 第 ３２ 卷 第 ２ 期
Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｍａｒ．２５，２０１５，Ｖｏｌ．３２ Ｎｏ．２
因为发射线圈和 接 收 线 圈 结 构 相 同，所 以 二 者 电 感及内阻相同，即 Ｌ１＝Ｌ２且 Ｒ１＝Ｒ２，由 谐 振 频 率 ｆ＝
１ 可知发射端 和 接 收 端 谐 振 电 容 相 同，即 Ｃ１ ＝
是 一 个 高 效 率 、安 全 、稳 定 的 选 择 。
１ 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 充 电 等 效 模 型 分 析
根据磁耦合谐振 式 无 线 电 能 传 输 相 关 理 论，传 输 系统由发射线圈、接 收 线 圈 以 及 各 自 的 谐 振 电 容 串 联 组 成 两 侧 的 谐 振 电 路 ，且 具 有 相 同 的 谐 振 频 率 ，在 波 长 范围内，通过磁耦 合，进 行 能 量 传 输 。 ［４，５］ 传 输 系 统 等 效模型如图１所示。其中 Ｌ１为发 射 线 圈 电 感，Ｌ２为 接 收线圈电感，Ｃ１、Ｃ２为两侧对 应 的 谐 振 电 容，Ｍ 为 两 线 圈的互感，Ｒ１、Ｒ２为发射线 圈 和 接 收 线 圈 的 等 效 电 阻， ＲＬ 为 负 载 等 效 电 阻 。
１ 时，Ｌ１ 与 Ｃ１ 发 生 谐 振。 接 收 线 圈 谐 振 频 率
２π 槡Ｌ１Ｃ１
与发 射 线 圈 谐 振 频 率 相 同，即 ｆ１＝ｆ２，当 发 射 端 谐 振 回 路 发 生 谐 振 时 ，与 接 收 端 产 生 磁 场 耦 合 ，使 接 收 端 接 收线圈 Ｌ２和谐振电 容 Ｃ２发 生 谐 振，由 于 频 率 相 同，此 时 接 收 端 为 阻 性 ，传 输 功 率 为 有 功 功 率 ，从 而 可 以 补 偿 损耗 。 ［７］ 接收端谐振电路产生输出 电 压 Ｕ２，经 高 频 整 流滤波转变为直流电输入超级电容。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｔ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｍｏｄｅｌ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｈａｒｇｉｎｇ
０ 引 言
电动汽车具有较 低 的 环 境 污 染，同 时 可 以 较 好 地 解决化石能源短缺的 问 题，因 此 是 低 碳 经 济 中 非 常 重 要的一个环节。电动 汽 车 的 充 电 一 直 是 研 究 热 点，随 着电动汽车的发展，便 捷 多 样 的 充 电 方 式 越 来 越 受 欢 迎 。 目 前 电 动 汽 车 多 采 用 有 线 充 电 式 ，充 电 时 间 较 长 ， 占 用 空 间 大 ，同 时 频 繁 拔 插 电 源 电 线 既 不 安 全 ，也 容 易 造成设备 老 化 磨 损 。 ［１］ 而 无 线 电 能 传 输 技 术 使 用 方 便 、安 全 ，设 备 积 尘 较 少 ，且 无 接 触 损 耗 、机 械 磨 损 和 相 应的维护问题，因此 无 线 充 电 技 术 在 电 动 汽 车 的 应 用 受到越来越多的关注。