電動汽車插補耦合無線充電技術(shù)的研究

鄧明陽，郭應(yīng)時

(1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.長春工業(yè)大學人文信息學院 汽車工程學院，吉林 長春 130122)

0 引 言

目前，電動汽車已經(jīng)逐漸代替燃料汽車進入市場，但因為電池續(xù)航短、充電樁定點設(shè)置難等問題，電動汽車一直無法全面推廣使用。為解決車輛無法移動充電的難題，筆者設(shè)計了一種移動式無線充電裝置，提出了一種基于插補耦合技術(shù)的智能精準定位方法，該方法可快速地控制地面端充電線圈精準對正車載線圈，并使兩者達到有效充電距離；同時利用反饋模塊對充電過程的電流進行自適應(yīng)控制，消除了電池浮充現(xiàn)象。然后根據(jù)畢奧-薩伐爾定律計算了有效充電距離D和線圈半徑R的理論數(shù)值。最后采用計算機迭代仿真實驗驗證了充電線圈半徑R和充電距離D的最佳取值，即R=40 cm、D=10 cm。

1 電動汽車無線充電技術(shù)理論

電動汽車無線充電技術(shù)即在有效距離內(nèi)采用非接觸式傳輸電能的技術(shù)，其原理是在車載受能端和地面充電供能端的磁場建立電能傳輸通道，將電能轉(zhuǎn)化磁場能，以松耦合非接觸電氣隔離模式傳輸大功率電能[1-2]，受能端產(chǎn)生的電能經(jīng)過整流后供電池存儲。無線充電主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式和射頻式3種傳輸方式[3]，它們的電能傳輸距離和傳輸功率各不相同，詳見表1。

表1 無線充電傳輸類型Table 1 Transmission type of wireless charging

電磁感應(yīng)式充電是以磁場為充電媒介實現(xiàn)無電氣連接的電能傳輸，其工作頻率一般為幾十到幾百赫茲，近距離傳輸效率約90%，但受限于供能端和受能端距離[4]。電磁耦合共振式充電即收發(fā)端諧振線圈相同的固有頻率產(chǎn)生電磁共振來傳輸能量[5]。射頻式無線充電技術(shù)是以射頻信號為載體，利用發(fā)射端功率放大器產(chǎn)生的射頻信號傳輸電能，接收端經(jīng)過高頻整流后重新轉(zhuǎn)換為電能使用[6]。筆者所設(shè)計的是一種電磁感應(yīng)式無線充電裝置，以車載固定位置線圈和地面移動充電線圈形成的磁場為載體，充電電流經(jīng)過變換形成高頻電流后轉(zhuǎn)化成磁場能，利用磁場傳輸給車載線圈，再經(jīng)過整流后形成可用的直流電，供汽車動力電池儲存使用，為純電動汽車續(xù)航提供保障。

2 插補耦合無線充電裝置設(shè)計

筆者基于電磁感應(yīng)原理來設(shè)計地面可移動供電端，通過智能控制確保電能收發(fā)端在有效距離內(nèi)按照反饋信號不斷調(diào)整，確保無線充電時通過接收端線圈的磁通量最大。電動汽車無線充電過程涉及的主要功能模塊有交流電源、高頻模塊、發(fā)射裝置、接收裝置、整流模塊和充電控制等，電能在各個模塊中的流向如圖1(a)。

2.1 電能傳輸過程

整個充電過程是利用磁場進行電能傳輸來完成的。地面供能端將電能轉(zhuǎn)化成磁場能，受能端將磁場能轉(zhuǎn)化成電能。利用電磁感應(yīng)理論，地面供能線圈及外圍電路將電能(交流電)轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)拇艌瞿?；車載受能線圈及外圍電路主要將磁場能轉(zhuǎn)化為可供動力電池用的電能(直流電)。標準電流經(jīng)過變頻模塊在供能端形成高頻交流電，并在發(fā)射裝置中產(chǎn)生磁場，從而電能轉(zhuǎn)化成磁場能；再將磁場能傳輸?shù)浇邮斩?，從而磁場能轉(zhuǎn)化成電能；經(jīng)過整流模塊(含濾波部分)轉(zhuǎn)化成可用的直流電。整個過程歷經(jīng)電能轉(zhuǎn)化為磁能再轉(zhuǎn)化為電能的過程[7]，如圖1(b)。

圖1 無線充電裝置的整體結(jié)構(gòu)及電能轉(zhuǎn)化示意Fig.1 Schematic of overall structure and electric energy conversion for wireless charging device

2.2 插補耦合技術(shù)定位有效充電距離

無線充電的研究需要解決確保傳輸最大磁場能的問題。由磁場的高斯定理可知，在有效充電距離內(nèi)，電磁感應(yīng)傳輸功率可達90%。圖2為有效距離的確定過程，分2步完成：

圖2 反射端自動循跡的過程Fig.2 Process of automatic tracking at the reflective end

1)當車輛停穩(wěn)后，受能端位置固定，地面可移動的供能端采用自動循跡方式在水平面內(nèi)移動，供能端中心點逐漸向車載受能端中心點搜索移動，當供電端中心傳感器與車載接收端中心基點投影重合時，兩個線圈穿過的磁感線方向一致，數(shù)量相同，此過程稱為“水平面位移循跡”[8]。

2)當磁場中心線重合時，受能端定位不動，通過步進電機控制供能端逐漸上升，縮短兩個線圈的垂直距離，步進電機每移動一次，檢測一次通過受能端的磁通量，經(jīng)過前后兩次磁通量對比來確定最終有效充電距離范圍[9]。

實際充電中，以插補耦合技術(shù)控制驅(qū)動電機，通過檢測移動過程前后的磁通量來控制供能端定位于有效充電距離內(nèi)。圖3為利用插補技術(shù)控制電機自動循跡路徑過程中磁通量檢測和控制原理。

圖3 利用插補偶合技術(shù)的磁感線反饋跟蹤定位過程Fig.3 Tracking and positioning process of magnetic induction line feedback using interpolation coupling technology

2.3 智能控制單元

電動汽車無線充電傳輸?shù)碾娔芴攸c是高電壓、大電流，因此應(yīng)選取具有耐高壓和大電流特性的電子器件來構(gòu)成智能控制器內(nèi)部控制電路即控制單元。以嵌入式模塊作為控制單元，選取灌電流500 mA、關(guān)態(tài)電壓50 V的達林頓陣列為核心控制單元，選取UM 2003芯片及外圍電路來控制電機的驅(qū)動和繼電器的開關(guān)，主電路如圖4。

圖4 智能控制器內(nèi)部電路Fig.4 Internal circuit of intelligent controller

控制原理是通過輸入信號和反饋信號的對比，輸出高電平信號，驅(qū)動步進電機控制供能端移動，在水平面移動使發(fā)射端線圈產(chǎn)生的磁通量穿過受能端線圈，在垂直方向移動，使收發(fā)端的線圈距離達到有效充電距離[10]。

2.4 快充過程中充電電流的控制

動力電池作為電動汽車能量源，其壽命直接影響續(xù)航里程，而充電中電流越變是影響動力電池使用壽命的重要因素之一。因此，合理設(shè)計充電過程電流的大小可延長電池使用壽命[11]。在充電過程中，開始階段采用浮充電方式可以快速使電池達到額定電壓和電流，減少充電對電池的影響；待電池的輸出電流大小達到額定值后，采用恒流、多次恒壓的方式充電，使電流長時間在小范圍內(nèi)波動，直至電池滿載。忽略電池自身放電影響(電流微弱下降)，當電池放電電流達到額定電流的20%時，開始浮充充電；考慮電池壽命，電池充電電流變化不可越變，故各階段電流大小的控制盡量保持平滑變化。不同階段下充電電流大小控制如圖5。

圖5 充電電流控制過程Fig.5 Control process of charging current

3 無線充電中最佳參數(shù)的選取

在無線充電過程中，充電電能取決于供電線圈所提供的能量值。影響無線充電能量傳輸?shù)囊蛩刂饕杏行С潆娋嚯xD和線圈半徑R。無線充電中磁感線可以表征磁通量大小，反應(yīng)能量傳輸?shù)亩嗌?，是決定充電效率的關(guān)鍵因素[12-13]，而線圈大小又是決定磁感線多少的關(guān)鍵因素之一。為此，筆者通過對比穿過線圈磁通量的多少和磁感強度的大小來確定有效充電距離D和線圈半徑R。首先，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律計算磁通量φ與R的關(guān)系；然后，利用該定律變形公式計算R和D的關(guān)系；最后，通過計算機仿真實驗驗證理論參數(shù)值的優(yōu)越性，通過對比分析選取最佳參數(shù)值。

3.1 磁通量與有效充電距離

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，由式(1)求出電流環(huán)產(chǎn)生的磁感線和磁場分布：

(1)

式中：dB為磁感線；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7T·m/A；I為充電電流，A；r為電流元到P點的矢徑，cm；dl為導線元的長度矢量，cm。

3.2 不同有效充電距離下充電線圈的設(shè)計

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律的變形公式可知，磁感應(yīng)強度B與線圈半徑R和有效充電距離D的關(guān)系如式(2)：

(2)

為對比不同參數(shù)對磁通量的影響，每一類參數(shù)從最小值增加，計算不同參數(shù)的磁通量理論數(shù)值。環(huán)電流I=100 A，環(huán)分N=30段，分別計算在有效充電距離D=10、15 cm時，線圈半徑R=30、40、50、60、70、80 cm對應(yīng)的磁通量φ，結(jié)果如表2。由表2可知，當D=10 cm、R=40 cm，或D=15 cm、R=60 cm時，磁通量φ最大。

表2 不同有效充電距離D和線圈半徑R下的磁通量φTable 2 Magnetic flux φ under different effective charging distance D &coil radius R

3.3 仿真驗證

采用MATLAB軟件，通過迭代仿真模擬實驗對比有效充電距離D=10、15 cm下，不同線圈半徑R的磁通量φ分布和磁感應(yīng)強度B大小。

按照表2中數(shù)據(jù)，在D=10 cm時，驗證R=30、40、50 cm的磁通量φ和磁感應(yīng)強度B大?。划擠=15 cm時，驗證R=60、70、80 cm的磁通量φ和磁感應(yīng)強度B大小。磁感應(yīng)強度B分布如圖6(a)～(f)，磁通量φ分布以磁感線表示，如圖6(g)～(l)。

圖6 有效充電距離D下線圈半徑R與磁場的關(guān)系Fig.6 Relationship between coil radius R and magnetic field under effective charging distance D

由圖6可知，當D固定時，磁感應(yīng)強度與磁感線密度隨著R的增大而增大：R=40 cm時，磁感應(yīng)強度B增大了1倍，磁感線密度增大不足1倍；當R=60 cm時，磁感應(yīng)強度B增大1倍，磁感線密度增大大于1倍。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著R的不斷增大，磁感線僅表現(xiàn)為線圈中某處的磁通密度增加，磁力線總數(shù)基本不變。結(jié)果驗證了理論參數(shù)值的準確性。在實際應(yīng)用中，考慮到硬件設(shè)備的承受強度和靈活性，建議取R=40 cm，D=10 cm。

4 結(jié) 語

筆者設(shè)計了一種基于插補技術(shù)的無線自適應(yīng)充電裝置，以插補耦合技術(shù)控制步進電機在空間水平方向和垂直方向的移動量，實現(xiàn)收發(fā)端的精準定位；并以傳輸最大磁場能量為控制目標調(diào)節(jié)輸入信號，確保供電端與受能端的充電線圈達到最佳的有效充電距離；對充電過程充電電流進行平滑控制，消除浮充電對電池的影響。利用畢奧-薩伐爾定律及變形公式計算充電距離和線圈半徑的理論數(shù)值；通過仿真實驗驗證了在不同有效充電距離下，充電線圈半徑R和磁通量φ、磁感強度B之間的對應(yīng)關(guān)系，再對比不同參數(shù)輸入時的磁場強度，確定傳輸最大磁場強度下所對應(yīng)的充電線圈半徑。最后，推薦最佳充電裝置設(shè)計方案參數(shù)為有效充電距離D=10 cm、線圈半徑R=40 cm。

基于插補技術(shù)的無線自適應(yīng)充電方法具有充電快速，充電電流穩(wěn)定和充電能量傳輸效率高等特點，解決了電動汽車固定點位充電的難題。