王寧 楊慶新

摘? 要： 針對(duì)電動(dòng)汽車的車載電池續(xù)航距離短、充電時(shí)間長(zhǎng)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一套基于電磁耦合諧振的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為能量發(fā)射部分和能量接收部分，以STM32為控制核心，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端的線圈切換管理及接收端的能量管理功能，具有靜止充電、驅(qū)動(dòng)行駛和動(dòng)態(tài)充電三種模式狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以根據(jù)車載電池電壓，自動(dòng)切換工作模式，采用嵌套方式的接收線圈，在偏移40%情況內(nèi)，輸出功率基本穩(wěn)定。該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車無(wú)線充電的智能化，有助于加快商用化速度。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線充電; 電動(dòng)汽車; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 電路設(shè)計(jì); 能量管理; 系統(tǒng)測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN830.1?34; TP29? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）10?0025?05

Design of dynamic wireless charging system for electric vehicle

WANG Ning， YANG Qingxin

（Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In allusion to the current situation of short cruising distance and long charging time of on?board batteries of the electric vehicles， a dynamic wireless charging system based on electromagnetic coupling resonance is designed for the electric vehicle. The system is divided into the energy transmitting part and the energy receiving part. In the system， STM32 is taken as the control core to implement the functions of coil switching management at the transmitting end and energy management at the receiving end. The system has three modes： static charging， running charging and dynamic charging.? The experimental results show that the designed system can switch working mode according to the on?board battery voltage automatically. The receiving coil with nested mode has basically stable output power within the deviation of 40%. This design can realize the intelligentization of wireless charging of electric vehicle， which is helpful in accelerating the commercial application.

Keywords： wireless charging; electric vehicle; system design; circuit design; energy management; system test

0? 引? 言

無(wú)線電能傳輸技術(shù)能夠避免用設(shè)備與電網(wǎng)的直接連接，具有靈活、安全、可靠等優(yōu)勢(shì)，成為有線供電方式的重要補(bǔ)充，受到世界各國(guó)同行的廣泛重視[1]。按照電能傳輸過程中，發(fā)射端和接收端的相對(duì)位置是否變化，該技術(shù)分為靜態(tài)無(wú)線電能傳輸技術(shù)和動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸技術(shù)[2]。動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在行駛過程中充電，減少車載電池容量，進(jìn)一步降低電池成本、大小和重量[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在電磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]、電能變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5]、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]、系統(tǒng)建模方法[7]等方面。多數(shù)文獻(xiàn)中的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)以鹵素?zé)艋蚴枪β孰娮枳鳛樨?fù)載。電機(jī)負(fù)載[8]、鋰電池負(fù)載[9]的文獻(xiàn)并不多見。

本文設(shè)計(jì)一種基于電磁耦合諧振的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為能量發(fā)射部分和能量接收部分，以STM32為控制核心，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端的線圈切換管理、接收端的能量管理功能，具有靜止充電狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)行駛狀態(tài)和動(dòng)態(tài)充電狀態(tài)。在兒童電動(dòng)車底盤加裝無(wú)線電能接收線圈，接收到的電能經(jīng)過整流濾波后給電機(jī)和車載電池供電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的車載電池電壓值，自動(dòng)切換工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)以電機(jī)和蓄電池為負(fù)載，更加真實(shí)地實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電過程，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1? 動(dòng)態(tài)無(wú)線電能傳輸?shù)目傮w結(jié)構(gòu)

1.1? 基本結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)主要分為發(fā)射端功率發(fā)射裝置和接收端功率接收裝置兩大部分，如圖1所示。市電經(jīng)過高頻逆變器形成高頻方波，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與發(fā)射線圈的自感產(chǎn)生諧振，進(jìn)而在發(fā)射線圈中形成高頻正弦波?；陔姶鸥袘?yīng)原理，接收線圈中產(chǎn)生同樣頻率的高頻電流，經(jīng)過AC?DC轉(zhuǎn)換后，為車載負(fù)載供電。為了避免額外的功率損耗和電磁輻射問題，通常采用分段式多發(fā)射線圈方式。因此，電動(dòng)汽車在鋪設(shè)發(fā)射線圈的道路行駛過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)車載電池的在線充電，減少等待時(shí)間。

1.2? 電路模型

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電路建模主要包括：基于松耦合變壓器的漏感模型和互感模型。其中，互感模型是用互感表征原副邊線圈之間的耦合效應(yīng)。由于原副邊勵(lì)磁電感和漏感的存在，通常在電路中加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成諧振電路，從而改善系統(tǒng)的傳輸性能，降低系統(tǒng)對(duì)電源容量的要求。典型的補(bǔ)償拓?fù)浒ù?lián)型（S）、并聯(lián)型（P）、SP型、LCC型等多種形式。

根據(jù)分段式發(fā)射線圈的設(shè)計(jì)方案，發(fā)射線圈具有工作狀態(tài)和靜息狀態(tài)[10]。本文基于串聯(lián)?串聯(lián)形式的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行電路模型分析，簡(jiǎn)化的電路模型如圖2所示。圖2中，[IP1]和[IP2]分別為發(fā)射線圈1和2的回路電流;[IS]為接收線圈的回路電流;[M1]為接收線圈與發(fā)射線圈1之間的互感;[M2]為接收線圈與發(fā)射線圈2之間的互感;[M12]為發(fā)射線圈1和2之間的互感;[U1]和[U2]為高頻逆變器輸出電源;[LP1]，[LP2]和[LS]分別為發(fā)射線圈1、發(fā)射線圈2和接收線圈的自感;[CP1]，[CP2]和[CS]分別發(fā)射線圈1、發(fā)射線圈2和接收線圈的補(bǔ)償電容;Z為電動(dòng)汽車的等效負(fù)載。

設(shè)諧振頻率為[ω0]，電源內(nèi)阻為[rs]，根據(jù)基爾霍夫定律可得：

[U1=IP1rs-jω0M1IS-jω0M12IP2U2=IP2rs-jω0M2IS-jω0M12IP10=ISZ-jω0M1IP1-jω0M1IP2] （1）

最后可以得出系統(tǒng)的輸出功率和效率：

[PO=ISRe（Z）U2=ISRe（Z）U1IP1+U2IP2] （2）

2? 能量發(fā)射部分

相比于長(zhǎng)導(dǎo)軌方式，分段式發(fā)射線圈方式只對(duì)充電車輛下方及臨近的線圈產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng)，減少了磁場(chǎng)泄漏，提高了互感耦合系數(shù)，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的整體傳輸效率。

2.1? 發(fā)射線圈設(shè)計(jì)

中型小轎車的外形尺寸約為5 m×2 m，底盤距離地面高度為20 cm。為保證同一時(shí)刻，一個(gè)線圈最多只對(duì)一輛電動(dòng)汽車充電，取單個(gè)發(fā)射線圈的長(zhǎng)度為車的長(zhǎng)度[11]，即5 m。單行車道的標(biāo)準(zhǔn)寬度為3～3.5 m，本設(shè)計(jì)以3 m為例，為減少無(wú)線電能傳輸過程中的電磁輻射，設(shè)定發(fā)射線圈的寬度為1 m。建立10∶1的縮比模型，發(fā)射線圈的實(shí)物如圖3所示，參數(shù)如表1所示。

2.2? 線圈切換管理

分段式發(fā)射線圈之間的連接方式包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)方式下，各發(fā)射線圈的回路電流一致，但是線圈切換時(shí)，補(bǔ)償電容也要隨著變化;并聯(lián)方式下，各發(fā)射線圈的開關(guān)互不影響，但是匹配電容值的精度要求較高，否則各發(fā)射線圈的回路電流不均。本設(shè)計(jì)采取串聯(lián)方式，發(fā)射線圈的布局如圖4所示。

汽車從右向左行駛在發(fā)射線圈上方，發(fā)射線圈全部串聯(lián)接入高頻逆變電源。每一個(gè)傳感器都在其對(duì)應(yīng)的發(fā)射線圈前端，保證線圈切換時(shí)，接收線圈對(duì)應(yīng)的下方區(qū)域的發(fā)射線圈處于工作狀態(tài)。最多有兩個(gè)發(fā)射線圈同時(shí)工作，此時(shí)補(bǔ)償電容也隨著切換。

發(fā)射端控制系統(tǒng)由STM32控制器、傳感器、發(fā)射線圈和開關(guān)控制電路構(gòu)成。紅外傳感器檢測(cè)電動(dòng)汽車的位置，并將信息發(fā)送給STM32控制器。STM32控制器根據(jù)傳感器傳回來的數(shù)據(jù)信息判斷并控制各發(fā)射線圈的通斷。發(fā)射端控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

3? 能量接收部分

電能通過耦合諧振的方式傳輸?shù)杰囕d線圈，高頻電流通過不控整流裝置和濾波裝置為負(fù)載提供電能。

3.1? 工作模式

接收端管理控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。通過S1，S2和S3的開關(guān)狀態(tài)，控制電動(dòng)汽車的工作模式。當(dāng)電動(dòng)汽車正常行駛時(shí)，S3閉合，電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)汽車處于無(wú)線充電狀態(tài)時(shí)，S3斷開，分為靜止充電、驅(qū)動(dòng)行駛和動(dòng)態(tài)充電三種工作狀態(tài)。

1） S1閉合、S2斷開：接收到的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換后直接給電池充電，此時(shí)為靜態(tài)充電狀態(tài)，檢測(cè)鋰電池的端電壓來控制充電電流。

2） S1斷開、S2閉合：接收到的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換后直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)為驅(qū)動(dòng)行駛狀態(tài)，系統(tǒng)不給鋰電池充電。

3） S1，S2同時(shí)閉合：接收到的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換后同時(shí)給電池充電和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)為動(dòng)態(tài)充電狀態(tài)，即邊行駛邊充電。

3.2? 接收線圈設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車的行駛路線不是筆直的線，而是存在側(cè)向偏移的曲線，如第2.1節(jié)所述，側(cè)向偏移距離最大為0.5 m。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同等長(zhǎng)度的利茲線繞制的接收線圈，其與發(fā)射線圈的繞組重合面積越大，二者之間的互感越大，也就是說車載接收線圈的寬度和匝數(shù)與發(fā)射線圈一致時(shí)，接收效果最好。然而，當(dāng)接收線圈側(cè)向偏移時(shí)，互感下降，因此，為保證電動(dòng)汽車在偏移情況下接收足夠的功率，本設(shè)計(jì)的接收線圈采取嵌套式，包括內(nèi)線圈和外線圈，如圖7所示。接收線圈的參數(shù)如表2所示。

3.3? 能量管理

當(dāng)電池處于充電狀態(tài)時(shí)，接收到的電能經(jīng)過轉(zhuǎn)換后直接給電池充電。電池的開路電壓、工作電壓和終止電壓均可用來表示電池的電壓特性。

3.3.1? 鋰電池的特性

1） 開路電壓，即電池在沒有外部電流流過時(shí)，其正負(fù)極之間的電位差，其值總是小于電池電動(dòng)勢(shì)。鋰電池的開路電壓與其正負(fù)極材料及充放電狀態(tài)有關(guān)。通常釆用電池的開路電壓。本設(shè)計(jì)采用開路電壓法，利用STM32測(cè)量電池兩端的開路電壓，進(jìn)一步推算電池的剩余容量。

2） 工作電壓，即電池放電過程中電池的端電壓，可用電流流過外部電路時(shí)其正負(fù)電極間的電位差表示。工作電壓用來表示電池在工作中的實(shí)際輸出電壓，當(dāng)電池有電流流經(jīng)時(shí)，其內(nèi)部會(huì)在電池內(nèi)阻上產(chǎn)生壓降。因此，工作電壓值一般在放電終止電壓和電池開路電壓之間。

3） 終止電壓，分為充電終止電壓和放電終止電壓，電池充電終止電壓又分為最高充電終止電壓和最低充電終止電壓。實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池的開路電壓和充電終止電壓以及放電終止電壓，并與其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)比，以此判斷電池是否充滿或者電量是否用完。并使微處理器強(qiáng)制切斷電池充電通道和電池放電通道，以保護(hù)電池。

3.3.2? 電機(jī)的特性

本設(shè)計(jì)采用直流有刷電機(jī)，主要包括端子、簧片、線圈和換向器。帶電線圈在釘子磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)一定的角度，然后換向器將供電電壓接入另一個(gè)線圈;另一個(gè)線圈旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，再換向。在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于直流有刷電機(jī)來講，改變其供電電壓，就會(huì)改變轉(zhuǎn)子線圈中的電流，進(jìn)而改變?cè)诙ㄗ哟艌?chǎng)中所受的安培力。電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而升高，隨著轉(zhuǎn)矩的減小而降低。在某一特定區(qū)域內(nèi)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和供電電壓是線性關(guān)系。因此，本設(shè)計(jì)利用A/D模塊采集鋰電池的端電壓，進(jìn)而判斷電池的工作狀態(tài);采集電機(jī)的供電電壓，經(jīng)過STM32計(jì)算后，控制驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1? 發(fā)射線圈的性能測(cè)試

電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)采用多發(fā)射線圈方式時(shí)，相鄰線圈之間存在功率波動(dòng)[12]。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)參數(shù)相同的發(fā)射線圈，并使得相鄰發(fā)射線圈之間的電流相位相同。實(shí)驗(yàn)過程中，接收線圈從左往右，依次經(jīng)過兩個(gè)發(fā)射線圈。設(shè)定高頻逆變電源輸出電壓為4 V，輸出電流為2.5 A，負(fù)載為鹵鎢燈。接收功率曲線如圖8所示。由圖8可以得出，d表示兩個(gè)發(fā)射線圈的間距。實(shí)驗(yàn)過程中，d在0～3的范圍內(nèi)增加，結(jié)果表明，d=0時(shí)，接收功率的波動(dòng)最小。在發(fā)射線圈的兩端，接收功率增加是因?yàn)榘l(fā)射線圈與接收線圈的有效重合面積增加;而在發(fā)射線圈中間移動(dòng)時(shí)，接收功率平穩(wěn)。

4.2? 接收線圈的性能測(cè)試

內(nèi)線圈的寬度、匝數(shù)均與發(fā)射線圈的寬度一致。在內(nèi)線圈發(fā)生偏移時(shí)，外線圈起到補(bǔ)償作用。設(shè)定高頻逆變電源輸出電壓為20 V，輸出電流為1 A，負(fù)載為鹵鎢燈。接收線圈與發(fā)射線圈的間距為2 cm。偏移情況下的接收功率曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出，內(nèi)線圈在偏移40%時(shí)，接收功率下降38.9%;偏移80%時(shí)，接收功率下降87%。增加補(bǔ)償線圈后，偏移40%時(shí)，接收功率僅下降2.1%;而在偏移80%時(shí)，接收功率下降16.9%。

4.3? 樣機(jī)的性能測(cè)試

本設(shè)計(jì)改裝市面上的兒童電動(dòng)車，在底盤增加了接收線圈，并搭建了能量接收管理系統(tǒng)，系統(tǒng)樣機(jī)如圖10所示。

4.3.1? 靜止充電狀態(tài)

鋰電池的充電時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)試并沒有從電池的終止電壓開始，而是從端電壓值為12.75 V開始，該值通過萬(wàn)用表測(cè)得。設(shè)定高頻逆變電源輸出電壓為2 V，輸出電流為5 A，鋰電池的充電曲線如圖11所示。充電35 min后，端電壓達(dá)到12.9 V，電池充滿。

4.3.2? 動(dòng)態(tài)充電狀態(tài)

兒童車電機(jī)的型號(hào)是RS390S直流有刷電機(jī)。設(shè)定高頻逆變電源輸出電壓為7 V，輸出電流為5 A。通過接收端控制器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出電壓值，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。鋰電池的充電曲線如圖12所示。

圖12中，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓越高，表明電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，意味著汽車行駛的速度越快，所消耗的功率越大。因此，發(fā)射端功率不變的情況下，車速越快，電動(dòng)汽車的充電時(shí)間越長(zhǎng)，也意味著行駛的距離越遠(yuǎn)。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于電磁耦合諧振的電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)，包括能量發(fā)射和能量接收兩大部分?？刂撇糠忠許TM32微處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)發(fā)射端的線圈切換管理以及接收端的能量管理功能。采用串聯(lián)型發(fā)射線圈方式，驗(yàn)證了無(wú)線電能傳輸功能。采用嵌入式接收線圈，提高了偏移情況的接收功率的穩(wěn)定性。在兒童電動(dòng)車底盤加裝無(wú)線電能接收線圈，系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到車載電池的電壓值，自動(dòng)切換工作狀態(tài)。測(cè)試了不同車速下的電池充電時(shí)間，結(jié)果表明，車速越快，需要的充電時(shí)間越長(zhǎng)，意味著行駛的距離越遠(yuǎn)。下一步研究工作是充電后自動(dòng)結(jié)算功能，即電動(dòng)汽車充滿或駛離充電道路后，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扣費(fèi)功能。

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