基于補償式分段導軌的電動汽車動態(tài)無線充電技術(shù)

（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070）

1 概述

1.1 無線充電的優(yōu)點

無線充電于實現(xiàn)了電能非接觸型傳輸，克服了傳統(tǒng)充電模式存在的易漏電、不易維護、使用笨重的缺點[1]。隨著近些年來無線充電技術(shù)在電子電器方面（如無線快充手機、掃地機器人、電動牙刷等）的普及使用，無線充電技術(shù)在電動汽車領域的應用也逐漸進入人們視野。靜態(tài)無線充電模式不用使用傳統(tǒng)充電電纜，而動態(tài)無線充電則有效增加了電動汽車的續(xù)航里程數(shù)，而且它能使電池組電池處于即充即放狀態(tài)，有效延長了電池組的使用壽命[2]。

1.2 補償式分段式導軌概念的提出

目前國內(nèi)外靜態(tài)無線充電的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且已經(jīng)投入到生產(chǎn)實踐中，但是對于動態(tài)無線充電還有許多問題有待解決。一般來說動態(tài)無線充電都采用集中一體式導軌[3]，而集中一體式導軌在充電過程中需要對整個線圈供電，能量的利用率非常低，且系統(tǒng)對參數(shù)變化非常敏感，極易造成整個系統(tǒng)不穩(wěn)定，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，需要整段停用待檢，給系統(tǒng)維護造成了很大的不便。因此有必要通過分段式導軌[4]供電，將激勵導軌劃分成多段，每段導軌都配有換流器以及諧振補償網(wǎng)絡，將配電導軌上高頻的交流電轉(zhuǎn)換為低壓近似恒流的交流電，保證能量供應的效率以及穩(wěn)定性。這種供電模式有很多優(yōu)點，通過高壓分時分段供電，系統(tǒng)在導軌上的損耗較??；發(fā)生故障之后易于維護；且分段之后每段導軌的自感下降，系統(tǒng)對參數(shù)變化敏感度大大降低，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文基于分段導軌在導軌切換過程中存在的磁場供應不穩(wěn)定、輸出功率衰減問題，提出一種補償式分段導軌方案，并就此展開敘述。

2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

補償式分段無線充電導軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，首先通過大電容和電感濾波整流，將50 Hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為脈動較小的直流電，然后通過高頻逆變電路產(chǎn)生高頻的交流電輸送到配電導軌上，經(jīng)過諧振補償網(wǎng)絡輸送到激勵導軌上，通過感應耦合產(chǎn)生高頻感應電壓，最后通過電能變換裝置的變換與調(diào)節(jié)供給不同的負載。

圖1 補償式分段無線充電導軌示意圖

3 關(guān)鍵技術(shù)方案

3.1 感應耦合電能傳輸技術(shù)

感應耦合電能傳輸（Inductively Coupled Power Transfer，ICPT）技術(shù)是常用的無線充電技術(shù)中的一種，其基本原理如圖2 所示。整個系統(tǒng)分為供電端、受電端和電磁耦合機構(gòu)三部分，供電端與受電端均具備獨立線圈，供電端的發(fā)射線圈連接電源裝置，通過電磁耦合機構(gòu)感應出高頻交變磁場，受電端的接收線圈接收高頻交變磁場同時感應出高頻感應電壓，再通過電能變換裝置對感應出的高頻交流電壓進行調(diào)節(jié)，以適應不同的負載。這種方法雖然受距離影響較大，但是轉(zhuǎn)換效率高，適合電動汽車這種大功率的充電系統(tǒng)。

3.2 諧振補償網(wǎng)絡拓撲

由于磁路耦合機構(gòu)的發(fā)射端和接收端處于耦合狀態(tài)，會在諧振回路中產(chǎn)生較多的無功功率，而電動車對傳輸功率和傳輸效率都有較高的要求，因此需要對原副方增加補償電容來抵消無功功率，使系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)，根據(jù)原邊線圈與原邊補償電容的連接關(guān)系，以及副邊線圈與副邊補償電容的連接關(guān)系是串聯(lián)還是并聯(lián)，可以形成不同的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2 感應耦合電能傳輸原理框圖

一般來說，串串型（原邊串聯(lián)、副邊串聯(lián)）拓撲適合于多負載和原副邊存在相對運動的系統(tǒng)，串并型拓撲適合于負載變化較大和原副邊相對靜止的系統(tǒng)，并并型和并串型拓撲適合于負載相對固定和原副邊相對靜止的系統(tǒng)，本文采用動態(tài)無線充電技術(shù)，原副邊存在一定的相對運動，所以串串型拓撲網(wǎng)絡較為合適。

ICPT 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ICPT 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.3 高頻逆變電路

高頻逆變部分是整個系統(tǒng)電能變換工作中的一個重要環(huán)節(jié)，選擇一個合適的逆變電路至關(guān)重要。目前，電能傳輸領域使用的高頻逆變電路主要有電壓型半橋式逆變電路（半橋電路）和電壓型全橋式逆變電路（全橋電路）兩種逆變電路。

電壓型半橋式逆變電路和電壓型全橋式逆變電路的電路都是通過兩個橋臂按規(guī)律輪流導通來實現(xiàn)DC 至AC 的轉(zhuǎn)換，區(qū)別在于半橋電路一個橋臂只有一個開關(guān)管，而全橋電路一個橋臂有兩個開關(guān)管。雖然全橋逆變電路的開關(guān)器件數(shù)量是半橋電路的兩倍，但是負載可以獲得的最大輸出電壓也是半橋電路的兩倍，同時全橋逆變電路的輸出容量較半橋逆變電路提高了一倍，可以直接通過移相控制和能量注入控制策略實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)，適用于較大功率場合，使用相對靈活。

由于電動汽車動態(tài)無線供電系統(tǒng)要求的傳輸功率等級較大，因此本文采用全橋式逆變電路作為高頻逆變電路，絕緣門級雙極型晶體管（IGBT）作為開關(guān)管。

4 補償式分段導軌系統(tǒng)

4.1 分段導軌連續(xù)切換的基本原理

分段導軌連續(xù)切換的基本原理是通過相鄰兩段發(fā)射導軌的連接處的位置傳感器Sn來檢測線圈的位置，從而判斷該段導軌應該處于開始注入能量、停止注入能量、保持注入能量的哪一階段，具體實現(xiàn)過程如下：當接收線圈處于位置A 時，位置傳感器S1檢測到位置信息，發(fā)射導軌L1保持注入能量，其他發(fā)射導軌處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著電動汽車的行駛，當接收線圈處于圖中位置B 時，接收線圈右端與導軌段L2耦合，位置傳感器S1和S2都檢測到電動汽車的位置信息，發(fā)射導軌L1維持注入能量狀態(tài)，發(fā)射導軌L2開啟，開始注入能量。在C 處接收線圈與相鄰的兩段導軌均存在磁耦合現(xiàn)象，位置傳感器S1和S2均檢測到位置信息，此時發(fā)射導軌L1和發(fā)射導軌L2均保持開啟注入能量。接收線圈處于位置D 時，只有傳感器S2檢測到位置信息，發(fā)射導軌L1停止注入能量，由發(fā)射導軌L2單獨供電。

分段導軌切換如圖4 所示。

圖4 分段導軌切換示意圖

4.2 分段導軌所存在的問題

將導軌進行分段后減小了不必要的能量損耗，但是也隨之出現(xiàn)了新的問題，根據(jù)安培定則可知，大小相等、電流方向相反的兩根導體產(chǎn)生的磁場相互抵消，如圖4 所示，在相鄰導軌的切換處，磁感應強度主要由MN、OP 段決定，但是MN、OP 段電流方向相反，磁感應強度會進行一定抵消，電動汽車經(jīng)過此處時磁場強度會衰減，電能供應在導軌切換處會存在較大的波動，因此本文采取利用補償線圈加相位控制進行平穩(wěn)切換的換流策略。

4.3 分段導軌連續(xù)切換的優(yōu)化策略

4.3.1 補償線圈平穩(wěn)切換策略

發(fā)射導軌的輸出功率與兩條導軌之間的距離密切相關(guān)，若導軌間距變大，耦合較弱，發(fā)射導軌輸出功率會變?。环粗畬к夐g距變小，耦合加強，輸出功率會變大。根據(jù)以上分析，本文選取一個導軌間距很小的線圈作為補償線圈抵消發(fā)射導軌的交接處的能量衰減，使供電更加平穩(wěn)。

在相鄰導軌的切換處，如圖4 中C 位置，接收線圈離MN、OP 段距離較近，受其影響較大，但是MN、OP 段電流方向相反磁場進行了抵消。使補償線圈和相鄰兩段發(fā)射導軌的電流相位相差180°，在切換過程中MN 和OP 段電流方向相同來補償磁場，分段導軌切換優(yōu)化如圖5 所示。

當電動汽車完全處于補償線圈中時，將補償線圈電流相位翻轉(zhuǎn)180°，以保證磁場方向的一致性，具體優(yōu)化如圖6所示。

圖5 分段導軌切換優(yōu)化示意圖1

圖6 分段導軌切換優(yōu)化示意圖2

4.3.2 適當?shù)尿?qū)動電路

考慮到電動汽車行駛過程中補償線圈需要進行相位變換，所以必須對驅(qū)動脈沖進行恰當?shù)南辔豢刂?。需要考慮以下兩個問題：補償線圈和切換導軌的驅(qū)動脈沖信號必須同步，盡量減少脈沖翻轉(zhuǎn)的延遲時間。因此需要選擇恰當?shù)尿?qū)動電路來滿足這些條件。

若相鄰導軌的驅(qū)動脈沖信號不同步，必然導致導軌中的正弦交變電流不同步，這樣不僅僅在導軌切換處會存在磁場抵消，在其他位置也會產(chǎn)生電流反向削弱磁場，從而影響整個系統(tǒng)的工作效率。

若脈沖翻轉(zhuǎn)的延遲時間過長，經(jīng)過時間積累兩個相鄰導軌的相位差逐漸變大，一個周期內(nèi)存在電流反向的時間會增長，同樣會削弱磁場造成磁場不穩(wěn)定。

由于本系統(tǒng)的電壓電流等級較大且采用IGBT 作為開關(guān)管，而脈沖變壓器驅(qū)動電路可實現(xiàn)信號和能量的同時傳輸，具有隔離電壓高、開關(guān)頻率高、傳輸延遲小的特點且可擴展性良好，適合本系統(tǒng)。

脈沖變壓器驅(qū)動電路基本構(gòu)成如圖7 所示，N 溝道增強型MOS 管起輔助作用，柵極為G，漏極為D，源極為S。當P（pluse）端輸入正信號時，柵源極電壓VGS＜0，MOS管受偏而關(guān)斷，二極管導通，副方電壓經(jīng)二極管向IGBT 管提供開通電壓，同時給結(jié)電容C 充電，這時MOS 管關(guān)斷阻止了結(jié)電容C 經(jīng)MOS 管放電，能夠一直給IGBT 管提供開通電壓。當P 端輸入負信號時，柵源極電壓VGS＞0，MOS管開通，結(jié)電容C 放電，其電荷被抽出使IGBT 管關(guān)斷。

圖7 有脈沖變壓器的IGBT 驅(qū)動器

5 結(jié)束語

本文將動態(tài)無線充電技術(shù)應用于電動汽車的充電系統(tǒng)中，通過選用補償式分段導軌使電動汽車在行駛過程中平穩(wěn)獲取電能，同時也提高了能量的利用率，本文所提出的換流策略不需要復雜的電路結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)，具有一定的實際意義。