自动谐振的电动汽车无线充电装置

王相雯　汝玉星　吴戈　林世坤　田小建　蔡振龙

摘 要：目前电动汽车充电方式多通过有线充电方式，极其限制电动汽车的普及。而无线充电技术多以电路较简单的较成熟的感应式无线充电技术为主，电磁感应的磁场发散性较强，对距离及放电受电线圈要求位置要求较高。现电动汽车充电装置的磁耦合共振无线传输系统多针对固定汽车型号。本文主要研究通过接收次级回路的参数，从而控制主回路电容调制，以自动谐振的磁耦合共振无线传输系统来实现对不同接收回路的充电，从而满足对不同型号电动汽车的充电兼容。

关键词：磁耦合共振 无线充电 自动谐振

Automatic Resonance Electric Vehicle Wireless Charging Device

Wang Xiangwen，Ru Yuxing，Wu Ge，Lin Shikun，Tian Xiaojian，Cai Zhenlong

Abstract：At present， most electric vehicle charging methods are wired charging methods， which extremely restricts the popularization of electric vehicles. The wireless charging technology is mostly based on the more mature inductive wireless charging technology with simpler circuits. The magnetic field of electromagnetic induction has strong divergence， and it has higher requirements on the distance and the position of the discharge power receiving coil. The current magnetic coupling resonance wireless transmission system of electric vehicle charging devices is mostly aimed at fixed vehicle models. This paper mainly studies the control of the capacitance modulation of the main circuit by receiving the parameters of the secondary circuit， and the automatic resonance magnetic coupling resonance wireless transmission system to realize the charging of different receiving circuits， so as to meet the charging compatibility of different types of electric vehicles.

Key words：magnetic coupling resonance， wireless charging， automatic resonance

1 引言

传统能源不仅对环境污染有较大影响，亦面临着能源枯竭危机。汽车已成为现当代普遍的代步工具，随着人们的环保意识增强，对汽车的能源驱动替代亦逐渐形成趋势[1]。新能源汽车的充电问题成为电动汽车发展的瓶颈。据Strategy Analytics统计，2019年全球无线充电市场规模为86亿元，其中汽车占比为29%，在应用前景的占比上仅次于消费电子。但现今较为成熟的接触式无线充电技术，亦存在许多问题即由于电磁感应原理限制了被充电物与充电物的距离与相对位置，为无线充电带来许多不便。现磁耦合共振的方式由于更安全的免触电特点，更长的传输方式，更灵活的相对位置等优点被广泛关注[2-3]，但在电动汽车的无线充电应用方面仍存在由于接受回路参数对发射回路谐振充电系统难以满足不同厂家型号汽车的问题。

本文在用较小线圈内半径的圆形-圆形线圈互感，且增加6根磁芯以提高磁耦合系数[4]，从而在耦合系数方面保证较高功率，初级回路传输到次级回路能量较高的前提下，通过自动尝试不同补偿电容，从而比较初级回路取样电阻交流电压振幅，以获得初级回路最大电流即谐振时补偿电容大小，从而在不同汽车型号接入时，完成初级回路的自动谐振。

2 电动汽车无线充电装置设计

由单片机对不同幅值的记录与比较，对补偿电容的改变以及对高频逆变电路的PWM波控制，以实现全自动化。以下采用等效电路理论分析方法，对传输功率及效率的关键组成部分即谐振单元初级回路进行分析。

2.1 高频逆变电路模块

高频逆变电路模块如图1所示发射线圈即电感L1与电容C2可等效为耦合回路等效电路初级回路中L1与C3，如图2。并由單片机控制4个特殊设计以减小转换过程中能量衰减的驱动电路，控制4个场效应管Q1，Q2，Q3，Q4的栅极，以实现场效应管的开关应用。4个场效应管Q1，Q2，Q3，Q4构成逆变电路，通过对角导通的方式，即Q1，Q4导通Q2，Q3闭合或者闭合Q1，Q4导通Q2，Q3，对由交直流转换电路对220V市电进行整流得出的稳压直流信号逆变成高频交流信号[5]。此4个场效应管及其控制电路，以及输入的直流信号可等效为图2中信号源1。

对图2等效电路，若输入信号源1为方波，则方波信号可分解为：

又当互感耦合回路谐振时，谐振回路滤除各谐波分量，得角频率为ω的正弦信号。为方便分析，设输入信号源为角频率为ω的正弦电压，初、次级回路中电流为，，初级回路阻抗，则由基尔霍夫定律，得出图2的回路方程为：

设初级回路自阻抗为Z11=Z1+jωL1，次级回路自阻抗为Z22=Z2+jωL2解得

又当次级回路耦合时，初级回路对次级回路的影响可等效为一个反射阻抗，如图3所示，则此时次级回路对初级回路的谐振未产生影响[6]。

为达到以上耦合回路谐振情况，对初级回路的电容并联电容补偿电路，从而与次级回路等效至初级回路的电抗相抵消，进而未改变初级回路的谐振情况。等效为通过次级回路等效至初级回路的阻抗传递能量，实际即接收线圈将接收到的能量通过后级相应电路转换为所需电能，从而为电动汽车的蓄电池充电。

2.2 电容补偿电路模块

电容补偿电路如图4，此模块并联于图1高频逆变电路模块电容C2两端。单片机控制继电器电路，从而实现对不同补偿电容的选择接入，由容抗的特性，以较大范围地与次级回路反馈至初级回路的电抗值相消[7]。

2.2.1 电容补偿网络

电容补偿网络如图5。通过out1与out2将补偿网络并联于图1中两端。将多个小容值电容相并联，并用继电器驱动电路控制开关的通断，以控制各电容支路的接入。

2.2.2 继电器驱动电路

继电器驱动电路如图6。由单片机接入in控制继电器驱动电路從而控制开关通断。其中继电器与单片机之间并未直接相连，为消除继电器线圈或高频逆变电路对单片机的影响，在继电器与单片机之间用光耦进行隔离，通过调整控制端电流改变占空比进而稳压。

2.3 幅度检测电路模块

将高频逆变电路与幅度检测电路（图7）相串联，用取样电阻Rs两端交流电压振幅来反映高频逆变电路中电流的大小，即反映后者谐振情况。其中取样电阻Rs采用大功率且小阻值的电阻以减少能量的消耗。

对此电压振幅的检测采用高阻抗差分的处理，以增强检测的方便以及减少幅度检测电路对高频逆变电路的影响。

将通过高阻抗差分电路的信号进行模数转换，记录进单片机中。由单片机选出最大幅度，则此时次级回路功率达到最大值，从而匹配出此时即谐振时的补偿电容值，并接入高频逆变电路模块中。

3 实现自动谐振无线充电功能

将交直流转换电路模块高频逆变电路模块，电容补偿电路模块，幅度检测电路模块及模数转换电路模块输入输出对应相连接，使其按照图8中流程实现对不同电动汽车的自动谐振无线充电功能。

按照上图自动谐振流程，由单片机选出使发射回路处于谐振状态的补偿电容，并将其接入主电路，对汽车进行充电，从而从保证初级次级回路同时谐振方面，保证不同负载下均达到较高传输功率及效率。

4 仿真及实验验证

当次级回路中负载电阻为1Ω，初级回路信号频率f为50KHz，初级回路电感L1为280μH时，要达到谐振，则

则理论上在此种假定的情况下达到谐振时初级回路电容为36.19nF。

在以上次级回路中负载电阻，初级回路信号频率及初级回路电感各数据前提下，对不同补偿电容的接入高频逆变电路进行Multisim仿真，探究补偿电容与初级回路功率，次级电路获得功率以及电路效率之间的关系。

如图9图10所示，在保持高传输效率85%左右情况下，当初级回路功率达到最高点时，次级回路功率亦达到最高，此时回路谐振，初级回路电容为38nF，与耦合回路谐振时理论初级回路电容值相符合，相对误差仅为约5%，精准度较高。初级回路电容容值逐渐偏离谐振所需容值时，耦合回路失谐，初级回路及次级回路功率皆减少。

5 结语

本文通过用单片机对不同补偿电容接入下的高频逆变电路输出电流的大小间接比较，得出耦合回路中初级回路谐振时所需补偿电容，进而抵消次级回路对初级回路的电抗影响，以实现系统对不同电动汽车充电时，初级回路能够在较高效率及功率下自动谐振。

参考文献：

[1]刘向立，刘振威，秦力，刘天强，孙 旺.电动汽车移动式无线电能传输功率分配技术研究与实现[J].ELECTRONICS WORLD，2020：158-160.

[2]章桐，贾永轩.电动汽车技术革命[M].北京：机械工业出版，2010.

[3]HIRAMATSU T，HUANG X，HORI Y. Capacity design of supercapacitor battery hybrid energy storage system with repetitive charging via wireless power transfer[C]// Power Electronics and Motion Control Conference and Exposition.Antalya， Turkey：IEEE，2014：490-495.

[4]杨阳，崔金龙，崔信.电动汽车无线充电系统磁耦合线圈耦合系数的研究[J]. New Energy，2020：56-62.

[5]包日南，马邦华，曹媛莉，战张磊.无线充电系统逆变器 ZVS 的实现[J].Electric Power Science and Engineering，2020：66-72

[6]张肃文.高频电子线路[M].高等教育出版社，2009.

[7]钟英，刘嘉欣，彭义峰，倪吉信，杨晨馨.非接触式无线充电技术的补偿研究[J]. Technology and Economic Guide，2020：7-8.

课题：（1）吉林省科技发展计划项目“分布式电动汽车无线充电系统关键技术研究”，编号20200401125GX。（2）长春市技术创新中心资助项目“长春市电动汽车无线充电技术创新中心”，编号18CX001。（3）吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目“80安培半导体激光器脉冲驱动器的研发”，编号JJKH20180984KJ。