电动汽车无线充电系统分析与设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
设计与研究
65
电动汽车无线充电系统分析与设计
米晓彦宋裕庆徐征
(天津职业技术师范大学，天 津 300222)
摘 要 ：为 了 解 决 电 动 汽 车 充 电 难 和 充 电 安 全 的 问 题 ，提 出 无 线 充 电 理 论 模 型 。无 线 充 电 为 电 动 汽 车 提 供 了 新 的 充 电 方 式 。本 文 介 绍 无 线 充 电 系 统 架 构 和 基 本 原 理 ，根 据 等 效 电 路 互 感 耦 合 理 论 ，推 导 出 在 谐 振 状 态 下 系 统 输 出 功 率 和 输 出 效 率 的 计 算 方 法 。根 据 理 论 分 析 ，搭 建 了 演 示 实 验 装 置 ，可 为 实 际 应 用 提 供 参 考 。
图 2 为系统等效电路图， 旨在简化分析。这 里 ，将汽车 负载视为纯电阻。
2 图 无线能量传输系统等效电路图
其 中 ，交 流 电 压 源 的 电 压 为 Us，Ip 12分别为发射线圈 和接收线圈的电流，C p c2分别为发射线圈和接收线圈的等 效电容，L p 1^2分别为发射线圈和接收线圈的电感，M 为互感， 心、R2分别为发射线圈和接收线圈的等效电阻，R 为负载电阻， w 为系统谐振频率。
经过计算，得 到 发 射 线 圈 电 流 ^和 接 受 线 圈 电 流 12:
Z Z K M % ( z 2+ R )
x{ 2+ )+ {〇) )2
Us(c〇M ) Zx(Z2+ K)+ {(〇M )2
66
现代制造技术与装备
2016第 10期 总 第 239期
Байду номын сангаас
磁 親 合 谐 振 式 无 线 充 电 系 统 工 作 在 谐 振 条 件 下 。谐 振 时 ， 线 圈 的 电 感 和 电 容 相 位 相 反 ，故 电 感 电 压 和 电 容 电 压 相 互 抵 消 ，即:
由基尔霍夫电压定律得到：
Us = (R^ jcoL,--L -)l^ jc〇M I2
〇=
{
+ j L①2一 -Jrc-〇 —C2)l R 2-\- l 2- j (〇M Ix
设 发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 的 阻 抗 分 别 为 ^和 厶 ，则:
1
j c ^2 - ^2 + 7^ 2 _ ^ 2
咖 + 尽） 乃 = 叹 = 邮 +iy+(®M)2
结 合 物 理 知 识 中 的 共 振 现 象 ，如 声 波 在 共 振 频 率 下 可 以 将 玻 璃 杯 震 碎 ，尼 古 拉 特 斯 拉 的 钢 管 实 验 等 ，都 证 明 能 量 在 共 振 情 况 下 能 够 实 现 髙 效 率 传 递 。 因 此 ，磁 耦 合 谐 振 式 无 线 能量传输系统发射线圈和接收线圈在谐振频率下也能实现高 效率的能量传递。 2 无线能量传输系统等效电路
其 优 势 明 显 ，如 没 有 电 源 插 接 头 引 起 的 机 械 磨 损 ，噪 音 低 ， 环 境 污 染 小 ，场 地 限 制 小 等 ，但 同 时 最 髙 速 度 及 续 航 里 程 等 因素也制约着电动汽车的发展和进一步推广。
电动汽车动力电池的充电方式主要有导线充电和无线能 量 传 输 。无 线能量传输 或 称 无 线 供 电 WPT (wireless Power Transmission) ， 是以親合的电磁场为媒介实现能量传输。 相 较 于 传 统 的 导 线 充 电 方 式 ，无 线 能 量 传 输 具 有 以 下 优 点 ： 没 有 机 械 磨 损 问 题 ；没 有 触 电 老 化 问 题 ；能 量 传 输 过 程 不 受 环 境 影 响 ； 电 气 绝 缘 ；可 实 现 一 对 一 、一 对 多 充 电 方 式 ，灵 活 性 好 ；可 实 现 汽 车 边 行 驶 边 充 电 的 动 态 充 电 方 式 等 。
关 键 词 ：无 线 充 电 模 型 输 出 功 率 输 出 效 率
燃 油 汽 车 的 迅 速 发 展 不 可 避 免 地 带 来 了 环 境 问 题 。石油 资 源 的 储 量 越 来 越 少 ，而 电 动 汽 车 能 够 缓 解 能 源 危 机 ，减少 污 染 物 的 排 放 ，故 而 许 多 国 家 和 地 区 开 始 着 手 研 制 并 推 广 电 动 汽 车 。与 燃 油 汽 车 相 比 ，电 动 汽 车 的 动 力 来 源 是 动 力 电 池 ，
发射 接收 线圈 线圈
4
整流电路
1 图 电动汽车无线能量传输系统组成结构
信号源和功率放大电路为发射线圈提供特定频率的交流 电。距 离 发 射 线 圈 一 定 距 离 的 位 置 安 装 接 收 线 圈 ，接收线圈 与 发 射 线 圈 共 振 频 率 一 样 。发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 在 特 定 频 率 下 发 生 磁 场 耦 合 共 振 （发射线圈和接收线圈具有相同的谐振 频 率 ），产生髙频交变磁场。能量由发射线圈传递到接收线圈， 整流电路将接收线圈接收到的高频交流电转换成汽车负载所 需 的 直 流 ，为 负 载 充 电 。这 是 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 能 量 传 输 系 统的能量传输过程。同步电路的作用是通过反馈控制使系统 始终工作在最佳状态。
JmL- j t c
此 时 ，输入频率为系统固有谐振频率，系统谐振角频率
为© =
又得到系统谐振频率：
/ = l/(2^V Z c )
谐 振 条 件 下 ，发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 均 呈 现 纯 电 阻 特 性 ， 阻抗变为：
k =孕
此 时 ，发 射线圈的输出功率匕、接收 线 圈 的 输 出 功 率 p 以及系统的输出效率n 分别为：
无线能量传输技术大致可分为电磁感应式无线能量传 输 、微波式无线能量传输和磁耦合谐振式无线能量传输三大 类 。本文主要讨论磁耦合谐振式无线能量传输技术。 1 无线能量传输系统组成结构
电动汽车无线能量传输系统组成结构，如 图 1 所 示 。系 统 拓 扑 结 构 由 信 号 源 、功 率 放 大 电 路 、同 步 电 路 、发 射 线 圈 、 接 收 线 圈 、整 流 电 路 和 负 载 等 部 件 组 成 。
65
电动汽车无线充电系统分析与设计
米晓彦宋裕庆徐征
(天津职业技术师范大学，天 津 300222)
摘 要 ：为 了 解 决 电 动 汽 车 充 电 难 和 充 电 安 全 的 问 题 ，提 出 无 线 充 电 理 论 模 型 。无 线 充 电 为 电 动 汽 车 提 供 了 新 的 充 电 方 式 。本 文 介 绍 无 线 充 电 系 统 架 构 和 基 本 原 理 ，根 据 等 效 电 路 互 感 耦 合 理 论 ，推 导 出 在 谐 振 状 态 下 系 统 输 出 功 率 和 输 出 效 率 的 计 算 方 法 。根 据 理 论 分 析 ，搭 建 了 演 示 实 验 装 置 ，可 为 实 际 应 用 提 供 参 考 。
图 2 为系统等效电路图， 旨在简化分析。这 里 ，将汽车 负载视为纯电阻。
2 图 无线能量传输系统等效电路图
其 中 ，交 流 电 压 源 的 电 压 为 Us，Ip 12分别为发射线圈 和接收线圈的电流，C p c2分别为发射线圈和接收线圈的等 效电容，L p 1^2分别为发射线圈和接收线圈的电感，M 为互感， 心、R2分别为发射线圈和接收线圈的等效电阻，R 为负载电阻， w 为系统谐振频率。
经过计算，得 到 发 射 线 圈 电 流 ^和 接 受 线 圈 电 流 12:
Z Z K M % ( z 2+ R )
x{ 2+ )+ {〇) )2
Us(c〇M ) Zx(Z2+ K)+ {(〇M )2
66
现代制造技术与装备
2016第 10期 总 第 239期
Байду номын сангаас
磁 親 合 谐 振 式 无 线 充 电 系 统 工 作 在 谐 振 条 件 下 。谐 振 时 ， 线 圈 的 电 感 和 电 容 相 位 相 反 ，故 电 感 电 压 和 电 容 电 压 相 互 抵 消 ，即:
由基尔霍夫电压定律得到：
Us = (R^ jcoL,--L -)l^ jc〇M I2
〇=
{
+ j L①2一 -Jrc-〇 —C2)l R 2-\- l 2- j (〇M Ix
设 发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 的 阻 抗 分 别 为 ^和 厶 ，则:
1
j c ^2 - ^2 + 7^ 2 _ ^ 2
咖 + 尽） 乃 = 叹 = 邮 +iy+(®M)2
结 合 物 理 知 识 中 的 共 振 现 象 ，如 声 波 在 共 振 频 率 下 可 以 将 玻 璃 杯 震 碎 ，尼 古 拉 特 斯 拉 的 钢 管 实 验 等 ，都 证 明 能 量 在 共 振 情 况 下 能 够 实 现 髙 效 率 传 递 。 因 此 ，磁 耦 合 谐 振 式 无 线 能量传输系统发射线圈和接收线圈在谐振频率下也能实现高 效率的能量传递。 2 无线能量传输系统等效电路
其 优 势 明 显 ，如 没 有 电 源 插 接 头 引 起 的 机 械 磨 损 ，噪 音 低 ， 环 境 污 染 小 ，场 地 限 制 小 等 ，但 同 时 最 髙 速 度 及 续 航 里 程 等 因素也制约着电动汽车的发展和进一步推广。
电动汽车动力电池的充电方式主要有导线充电和无线能 量 传 输 。无 线能量传输 或 称 无 线 供 电 WPT (wireless Power Transmission) ， 是以親合的电磁场为媒介实现能量传输。 相 较 于 传 统 的 导 线 充 电 方 式 ，无 线 能 量 传 输 具 有 以 下 优 点 ： 没 有 机 械 磨 损 问 题 ；没 有 触 电 老 化 问 题 ；能 量 传 输 过 程 不 受 环 境 影 响 ； 电 气 绝 缘 ；可 实 现 一 对 一 、一 对 多 充 电 方 式 ，灵 活 性 好 ；可 实 现 汽 车 边 行 驶 边 充 电 的 动 态 充 电 方 式 等 。
关 键 词 ：无 线 充 电 模 型 输 出 功 率 输 出 效 率
燃 油 汽 车 的 迅 速 发 展 不 可 避 免 地 带 来 了 环 境 问 题 。石油 资 源 的 储 量 越 来 越 少 ，而 电 动 汽 车 能 够 缓 解 能 源 危 机 ，减少 污 染 物 的 排 放 ，故 而 许 多 国 家 和 地 区 开 始 着 手 研 制 并 推 广 电 动 汽 车 。与 燃 油 汽 车 相 比 ，电 动 汽 车 的 动 力 来 源 是 动 力 电 池 ，
发射 接收 线圈 线圈
4
整流电路
1 图 电动汽车无线能量传输系统组成结构
信号源和功率放大电路为发射线圈提供特定频率的交流 电。距 离 发 射 线 圈 一 定 距 离 的 位 置 安 装 接 收 线 圈 ，接收线圈 与 发 射 线 圈 共 振 频 率 一 样 。发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 在 特 定 频 率 下 发 生 磁 场 耦 合 共 振 （发射线圈和接收线圈具有相同的谐振 频 率 ），产生髙频交变磁场。能量由发射线圈传递到接收线圈， 整流电路将接收线圈接收到的高频交流电转换成汽车负载所 需 的 直 流 ，为 负 载 充 电 。这 是 磁 耦 合 谐 振 式 无 线 能 量 传 输 系 统的能量传输过程。同步电路的作用是通过反馈控制使系统 始终工作在最佳状态。
JmL- j t c
此 时 ，输入频率为系统固有谐振频率，系统谐振角频率
为© =
又得到系统谐振频率：
/ = l/(2^V Z c )
谐 振 条 件 下 ，发 射 线 圈 和 接 收 线 圈 均 呈 现 纯 电 阻 特 性 ， 阻抗变为：
k =孕
此 时 ，发 射线圈的输出功率匕、接收 线 圈 的 输 出 功 率 p 以及系统的输出效率n 分别为：
无线能量传输技术大致可分为电磁感应式无线能量传 输 、微波式无线能量传输和磁耦合谐振式无线能量传输三大 类 。本文主要讨论磁耦合谐振式无线能量传输技术。 1 无线能量传输系统组成结构
电动汽车无线能量传输系统组成结构，如 图 1 所 示 。系 统 拓 扑 结 构 由 信 号 源 、功 率 放 大 电 路 、同 步 电 路 、发 射 线 圈 、 接 收 线 圈 、整 流 电 路 和 负 载 等 部 件 组 成 。