基于耦合變壓器補償技術(shù)的電動汽車無線充電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

吳金華

（江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西贛州，341000）

1 電動汽車無線充電技術(shù)分析

在當前電動汽車的充電方面，無線充電將技術(shù)屬于目前比較理想的一種充電方式，并且在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出十分明顯的便捷性優(yōu)勢，而無線充電技術(shù)的應(yīng)用主要就是通過無線充電系統(tǒng)得以實現(xiàn)的。對于電動汽車無線充電系統(tǒng)而言，其組成主要包括兩個部分內(nèi)容，分別為地面發(fā)射系統(tǒng)與車載接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實際運行及工作過程中，通過車載終端實現(xiàn)車輛信息的準確識別，且與地面上的充電設(shè)備之間可以實現(xiàn)信息交互，以確定具體充電需求。在此基礎(chǔ)上，利用地面上的裝置，可以將220VAC/50Hz的市電轉(zhuǎn)變成為高頻電流，然后將電流注入地面發(fā)射裝置中，之后地面上的發(fā)射裝置可以這些高頻電流轉(zhuǎn)變成為高頻磁場，并且進行向外發(fā)射。在車載接收端的相關(guān)接收裝置，可以利用電磁感應(yīng)耦合原理實現(xiàn)高頻磁場信號的接收，且可以轉(zhuǎn)換成為高頻電流，而后通過車載充電機轉(zhuǎn)換成為直流電，提供給動力電池實現(xiàn)充電。在該過程中，對于車載充電機還需要注意檢測并收集電池充電信息，還要將這些數(shù)據(jù)信息向車載充電系統(tǒng)發(fā)送顯示，以便更好觀看充電情況及電量[1]。

2 基于耦合變壓器補償技術(shù)的電動汽車無線充電系統(tǒng)組成及原理

就當前電動汽車無線充電系統(tǒng)中耦合變壓器補償技術(shù)的應(yīng)用而言，其主要就是通過感應(yīng)電能耦合傳輸實現(xiàn)電動汽車無線充電系統(tǒng)的有效設(shè)計，下面具體分析。

對于基于感應(yīng)電能耦合傳輸?shù)南到y(tǒng)，其主要就是在利用電磁感應(yīng)管理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)電能的無線傳輸，其具體原理如圖1所示。

圖1 原理力

整個系統(tǒng)的組成包括兩個部分內(nèi)容，即發(fā)射部分與接收部分，其中發(fā)射部分的作用主要就是對于所輸入的相關(guān)工頻電網(wǎng)電壓，使其轉(zhuǎn)變成為高頻交電流，利用耦合器中的電磁感應(yīng)可以使這些高頻交電流向接收部分進行傳送，而接收部分在獲取這些高頻交流電之后，將其轉(zhuǎn)變成為直流電以提供給負載應(yīng)用。在整體的系統(tǒng)構(gòu)成中，其所包含的模塊主要有六個部分，分別為一次側(cè)整流濾波模塊、感應(yīng)耦合變壓器模塊以及高頻逆變模塊，還有變壓器原邊及副邊線圈中的電容補償模塊，還有二次側(cè)整流及功率調(diào)節(jié)模塊等有關(guān)內(nèi)容。

此外，就該系統(tǒng)實際運行情況而言，其在實際工作中的基本原理為：在系統(tǒng)實際云心過程中，首先由電網(wǎng)發(fā)送出工頻交流電，系統(tǒng)中的整流濾波模塊可以將這些工頻交流電轉(zhuǎn)變成為直流電，而對于這些直流電，高頻逆變器可以促使其逆變形成高頻交流電，對于所形成的這些工頻交流電，將其注入感應(yīng)耦合變壓器的原邊，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，這些高頻交電流會在線圈中產(chǎn)生相應(yīng)磁鏈，并且與副邊線圈相交，在副邊線圈中會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，這種感應(yīng)電動勢也屬于高頻交流電。對于此時的高頻交流電，利用整流濾波模塊及功率調(diào)節(jié)模塊，可以使其轉(zhuǎn)成為與負載相適應(yīng)的直流電能，同時，對于設(shè)備中直接輸出的相關(guān)直流電，也可以對其繼續(xù)逆變，以獲得使交流負載得到滿足的有關(guān)交流電能，實現(xiàn)更好的充電[2]。

3 基于耦合變壓器補償技術(shù)的電動汽車無線充電系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

就當前電動汽車無線充電系統(tǒng)的實際應(yīng)用而言，系統(tǒng)中的原線圈與副線圈分別在地面上與車內(nèi)，彼此之間的距離相對比較大，原副邊線圈之間存在很大氣隙，漏磁比較大，相應(yīng)的耦合系數(shù)比較低。所以，在對該系統(tǒng)實際進行設(shè)計過程中，需要對以下幾個方面充分考慮：耦合器中所使用的諧振技術(shù)；高頻工作；有關(guān)開關(guān)器件所具備的軟開關(guān)能力；適當充電距離；偏差適應(yīng)性；優(yōu)化控制方式，還有寬負載工作范圍。就當前系統(tǒng)應(yīng)用來看，系統(tǒng)構(gòu)成電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成電路圖

3.1 功率變換模塊設(shè)計

對于功率變換模塊，其所發(fā)揮的作用主要就是使得由電網(wǎng)中所得到的有關(guān)工頻交流電轉(zhuǎn)變成為高頻交流電，這在整個系統(tǒng)中都是比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在實際設(shè)計中需要從以下幾點入手。

首先，拓撲分析。依據(jù)主電路中的不同拓撲結(jié)構(gòu)，對于各種功率變化器可以將其分為半橋式、全橋式及反激式與推挽式。其中，對于反激式功率變換電路而言，通常情況下都是使用單管變換，在對功率要求比較小的相關(guān)裝置中比較適用，功率一般都是在幾十毫安左右；而對于半橋式及全橋式的功率變換電路，通常情況下都是在幾十瓦、幾百瓦的有關(guān)功率裝置中進行應(yīng)用；而對于推挽式功率變換電路，通常都是在等級較高的相關(guān)裝置中進行應(yīng)用，依據(jù)目前電動汽車的實際功率需求，基本上都是選擇全橋式功率變換電路。其次，器件的適當選擇。對于這一系統(tǒng)而言，變壓器自身傳輸效率比較低，因而對于功率變換電路，需要其具備低損耗性，因而對于相關(guān)功率器件的合理選擇也就十分必要。通常情況下，選擇功率開關(guān)管需要注意以下幾個條件：額定電壓必須要比浪涌電壓高，且需要留取一定電壓余量；額定電流必須要比開關(guān)管中所流過電流的峰值高，并且開關(guān)管工作應(yīng)當在安全范圍之內(nèi)；具有比較理想的散熱能力；具有比較小的損耗。在實際系統(tǒng)設(shè)計中，為能夠使上述條件得到滿足，在全橋逆變電路中選擇的功率管為MOSFET，并且對于開關(guān)管應(yīng)用中開啟與斷開的控制，選擇軟開關(guān)方式。

3.2 感應(yīng)耦合變壓器設(shè)計

耦合器在處于高頻工作狀態(tài)下，為能夠使所存在的趨膚效應(yīng)得以減小，在選擇導(dǎo)線時通常都會利茲線，這種線的特點就是具有多股漆包線并繞。就目前電動汽車的不同充電情況來看，主要就是就是包括以下幾種。第一，駐車充電，這種狀況所指的就是將電動汽車在充電位置停放實行靜態(tài)充電。第二，公交站臺無線充電，這種充電方式所面向的主要就是電動公交車，也就是通過公交站處所設(shè)置的無線充電系統(tǒng)發(fā)射裝置，在公交車?？坑陔娕_期間為其補充電量。第三，行車充電，這種充電方式指在車輛行駛過程中實行充電，這需要將無線發(fā)射裝置鋪設(shè)于特定道路上。第四，智能電網(wǎng)充電，這一充電方式所指的就是對于相關(guān)充電裝置，將其納入智能電網(wǎng)運行控制中，依據(jù)區(qū)域內(nèi)部電網(wǎng)負荷狀況，對于電動汽車的無線充電實行智能控制，使電網(wǎng)負荷狀況得到有效改善。本文主要以駐車充電方式為研究對象進行設(shè)計。在實際設(shè)計過程中，需要對感應(yīng)耦合變壓器磁路進行分析：對于電動汽車無線充電系統(tǒng)而言，在其所應(yīng)用的耦合變壓器中，原線圈與副線圈之間是相互分離的，其中一部分置于地面，另一部分置于汽車上，因而兩者之間有很大空隙存在，依據(jù)變壓器耦合系數(shù)計算公式：

計算可知，對于感應(yīng)耦合變壓器，其耦合系數(shù)大約為0.2，可以實現(xiàn)理想的充電。

3.3 諧振補償電路設(shè)計

對于基于基于感應(yīng)電能耦合傳輸?shù)臒o線充電系統(tǒng)，其輸出功率能力相對比較差，并且工作頻率比較高，在實際運行及應(yīng)用中需要對原邊線圈及副邊線圈實行無功補償，而就目前原邊線圈與副邊線圈的補償結(jié)構(gòu)而言，其主要包括兩種，即串聯(lián)補償結(jié)構(gòu)與并聯(lián)補償結(jié)構(gòu)。而本文所設(shè)計系統(tǒng)中的補償結(jié)構(gòu)主要有四種：原邊線圈與副邊線圈均屬于串聯(lián)補償；原邊線圈為串聯(lián)補償，副邊線圈為并聯(lián)補償；原邊線圈并聯(lián)補償，副邊線圈并聯(lián)補償；原邊線圈與副邊線圈均為并聯(lián)補償。在電壓型系統(tǒng)中，對于原邊補償電容選擇，不會受負載電阻大小的制約，然而在電流型系統(tǒng)中，在原邊補償電容選擇方面，負載電阻大小會對其產(chǎn)生直接影響。在電流型系統(tǒng)中，在負載電阻發(fā)生變化的情況下，原有補償電容無法使原邊等效阻抗的虛部成為0，也就導(dǎo)致系統(tǒng)不具備諧振產(chǎn)生條件，對于整體系統(tǒng)傳輸效率會產(chǎn)生直接影響。為能夠與負載變化更好適應(yīng)，需要對原邊補償電容方式進行有效調(diào)整，使其與相關(guān)要求滿足，這種情況需要增加復(fù)雜電路。所以，在使設(shè)計過程中，更加傾向于電壓型系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[3-4]。