电动汽车谐振式动态无线供充电装置设计说明书.docx

电动汽车谐振式动态无线供/充电装置设计说明书设计者：黄润鸿，王振亚，周丽萍，芮强，詹玉香，郑浩，周文栋指导老师：张波 教授（华南理工大学电力学院、电信学院，广州 510640）通过实验设计了一套电动汽车谐振式动态无线供/充电装置，如图1（a）和（b）所示，其主要目的是为了克服现有电动汽车续航能力差，充电时间长等缺点，通过利用谐振式无线电能传输技术可以实现对电动汽车无线充电，特别是动态充电，即一边行驶一边充电，可以有效降低电池容量，节省用户充电时间；另外这种无线充电装置的发射部分一般埋在地面以下，节省道路空间，并且安全可靠，可以节省维护成本。通过优化设计，可以使得电能无线传输部分的效率达到90%以上1-2。整个系统主要发射部分和接收部分，其中发射部分由工频交流输入、整流滤波、高频逆变及功率放大、电能发射线圈等模块组成；接收部分由电能接收线圈、整流稳压模块、电池/电动机等部分。通常发射部分一般置于地面以下，接收部分一般集成在电动汽车内，如图2所示。(a) (b)图1. 电动汽车无线供/充电图2. 电动汽车无线充电系统示意图首先对整个系统建立了等效电路模型，并对等效电路进行了理论分析，设计最优的传输功率和传输效率条件；根据实际条件设置了仿真参数，借助仿真软件Ansoft HFSS 对发射线圈和接收线圈之间的高频电磁场进行了仿真；通过前面的理论分析和仿真，设置最佳参数，制作出了一个电动小车的谐振式无线供电装置，小车可以在没有外部电池供电的情况正常转动，从而证明本设计是可行的。联系人：黄润鸿，手机：15017527247，E-mail：huang.rhqq.com1. 研制背景及意义电动汽车可以很好的解决机动车污染排放和能源短缺问题，符合国家节能减排的政策需求，因此受到了很多国家和政府的鼓励和支持。传统电动汽车一般采用有线充电方式，但其要考虑很多问题：如充电安全问题，特别是下雨的时候，可能导致电击触电等意外；另外充电站、插座、电缆等易于损坏，还可能面临被偷的危险；换电站、充电基站等都是建在地面以上，占用大量空间，影响视线，夜晚容易造成交通事故；还有充电站的建设和维护成本较高。针对电动汽车有线充电存在的种种弊端，电动汽车无线充电技术可以有效地解决上述问题。使得电动汽车的充电更加快捷、方便、安全，这有助于电动汽车的进一步推广和普及。目前无线充电技术（或无线电能传输技术，Wireless Power Transfer, WPT）主要有三种：谐振式，感应式和辐射式。其中感应式无线充电技术在上个世纪70年代就已经出现，最早应用在电动牙刷充电上，最近20多年已经在电动汽车（主要包括轿车和公共汽车）领域得到了实验和应用，其充电功率和效率都比较高，其缺点是需要精确对位，传输距离小，一般在厘米级别3-4；辐射式无线充电主要包括微波和激光两种形式，但其频率很高，一般在GHz以上，容易对人体和生物产生危害，而且电能发射和接收难度很大，电能传输效率很低5；谐振式无线充电技术在2007年由MIT的学者提出6，它是一种新型的无线电能传输技术，具有传输距离远（一般可达几米），效率相对较高，频率一般为几MHz，对人体没有辐射危害，空间自由度大等优点。将谐振式无线电能传输技术应用在电动汽车的无线充电中，可以实现电能高效、清洁、安全、便捷的利用，示意图如图1所示；另外谐振式无线电能传输对空间位置不敏感，在一定范围内可以较为稳定为系统供电，因此在理论上讲，通过设置多个充电装置，可以实现电动汽车的动态充电（在线充电online-charge）7。2. 设计方案电动汽车谐振式无线充电系统主要包括以下几个部分：工频220V交流输入，高频功率源，发射线圈，接收线圈，高频整流电路，反馈控制电路，汽车电池，如图3所示。其基本工作原理为：系统从电网吸收电能，经整流滤波和高频逆变后产生高频交流电，再经功率放大电路和阻抗匹配电路送至发射线圈，当发射线圈的自谐振频率与系统频率相同时，发射线圈的电流最大，产生的磁场最强；此时接收线圈若有相同的自谐振频率，则会通过磁场产生很强的耦合，从而实现电能的高效传输。接收线圈中的电能经整流滤波和稳压调节电路给负载电池进行充电。同时整个系统通过反馈控制环节来保证系统的稳定性和高效性。图3. 电动汽车谐振式无线充电系统框图2.1 谐振耦合无线电能传输原理谐振耦合无线电能传输利用电磁近场共振耦合，把能量以“隧道”的形式从一个谐振线圈高效地传输到另外一个谐振线圈，而不与或很少与非谐振物体发生能量交换。理论分析表明未被负载吸收部分的能量会返回发射端，从而不会对效率造成影响8。本作品以两谐振线圈系统为模型，分析谐振耦合无线电能传输的基本原理。完整的两谐振线圈模型如图4所示。(a) 两谐振线圈电路模型(b) 简化等效模型图4. 考虑电源内阻的两谐振线圈模型定义S参数9：（S21代表系统传输功率的能力） (1)根据KVL，可得系统的方程： (2)式中， ，。解得负载电压VL与电源电压VS比值为： (3)则两谐振线圈模型的S21与耦合系数k、频率f之间的关系如图5所示。由图中可见，谐振耦合无线电能传输系统存在过耦合、临界耦合和欠耦合三个区域。在过耦合区域，S21会出现频率分裂现象，过了临界耦合区域，S21随着k的减小而指数衰减。因此，电动汽车无线供/充电的距离应该设计在临界耦合点处，此时保证电动汽车得到最大的输出功率。或者根据电动汽车底盘与地面距离的需要，设计发射和接收线圈的尺寸，同样实现电动汽车最佳的输出功率。图5. 两谐振线圈的S21曲线图2.2 电磁场仿真1）谐振与非谐振的比较仿真结果如图6所示。当无线发射线圈和接收线圈处于非谐振状态时，由磁场分布可以看出，发射线圈的能量基本不能传输到接收线圈；而当发射线圈和接收线圈处于谐振状态时，传输效率可以达到很高，这与直观的概念相符合，即共振能够高效的传输能量。图6. 磁场分布. (a)非谐振; (b)谐振.2）谐振线圈谐振频率的确定谐振线圈谐振频率的确定目前还没有有效的解析方法来确定，有限元分析则提供了很好的方法。以单个螺旋线圈为例，用HFSS软件仿真得到的S参数曲线如图7所示，根据图7的S参数幅值的最大值可以确定线圈的固有频率。此方法可为本作品线圈的设计提供指导，避免通过实验的方法反复测量和设计造成时间的浪费。图7. S参数曲线2.3高频逆变器设计1）拓扑结构及工作原理图8为典型的E类高频逆变器，结构简单，理论转换效率为100%，实际可以做到96%左右。开关管T采用MOS管，正常工作时要能工作在软开关状态。L0为大电感，为负载网络提供恒流；C0为包括MOS管的结电容和外加电容，辅助实现谐振，使MOS管零电压开通；C、L和R构成谐振负载网络。图8. E类高频逆变器该变换器在稳态下工作时，其工作模态可以分为四个阶段，如图9所示。图9. E类高频逆变器工作模态2）参数设计开关管T从关断到开通的过程中，它的漏极电压会随着电容C0和负载网络的瞬变响应而变化。因此定义一个负载阻尼系数QL=L/R，当QL过低时，开关管的漏极电压会在关断时刻还没下降到零，从而会出现大电流和大电压的情况，从而烧坏开关管；当QL过高时，由于负载网络是一个二阶的系统，会使开关管的漏极电压下摆到负值，从而可能会造成开关管反向击穿。根据文献10，QL应取510，其他参数的设计为： (4) (5) (6)根据以上关系，可以设计本作品高频逆变器的参数如表1所示。表1 高频逆变器参数参数数值参数数值Vin12VL12.0HL0128HC2.18nFC03.77nFR72.4 线圈形状设计无线充电当中最常用的有两种线圈，一种是平面盘式的，一种是空间螺旋式的，如图10所示。考虑到实际情况，我们一般采用平面盘式结构（节省空间，便于安装）。图10. 无线充电线圈形状实际实验中的线圈与电动小汽车大小相当，尺寸约为20*10（单位：cm），为了增强发射线圈和接收线圈之间的耦合且便于后面计算，我们采用两片相同的印刷电路板线圈。印制电路板线圈实物如图11所示。图11. 印制电路板线圈用精密阻抗分析仪测得线圈内阻为1.2，自谐振频率为25MHz，考虑到系统频率为1MHz,因此在线圈一端串联一陶瓷电容，将其谐振频率调到1MHz左右。2.5 整流稳压电路设计由于在动态充电过程中接收线圈的电压波动较大，因此应选用较宽范围的稳压模块，本装置中采用美国国家半导体公司（NI）生产的稳压器LM22676-5.0，该芯片输入电压范围较大（8V-42V），输出稳压5.0V，输入电流最大可达3A。具体整流和稳压电路如图12所示。图12. 整流和稳压电路其中接收线圈为RX，采用全桥整流电路，整流二极管型号为1N5819；稳压电路中具体参数为：输入电压Vin为8V-42V，稳压器采用LM22626-5.0，C1=150uF（电解电容），C2=1uF，电压采样电阻R1=1k，R2=2.87k，R3=100k，电感L=10H,电容Cb=10nF，Z为肖特基稳压二极管，稳压值为100V，输出滤波电容Cout=68F，负载为电动小汽车的驱动电机。根据以上各个模块的参数分析，设计制作的电动小汽车无线充电装置可以正常工作，作品实物照片如图13所示。发射线圈在有机玻璃的下层，接收线圈在有机玻璃的上层。左图发射线圈和接收线圈错开，右图发射线圈和接收线圈上下重合。电动汽车模型的电池已经拆除并放置在旁边。电动汽车的工作状态见附件的视频。图13. 作品实物图3. 创新点及应用针对电动汽车有线充电存在的种种不足如：电能安全、雨水电击；充电站、插座、电缆易于损坏、被偷等；换电站占用大量空间、影响视线等问题。电动汽车动态谐振式无线充电技术具有一系列的优点，并且有很多创新之处，具体如下：1）充电更加安全适应雨雪等恶劣的天气和环境等，没有电火花和触电危险；一般电能发射装置埋藏于地面以下，电能接收装置位于车体内，不易于损坏或被偷。2）充电更方便、快捷，技术更为先进利用谐振式无线充电技术可以使电动汽车随时随地充电，省去了有线充电繁琐的过程。3）降低了各种成本由于充电装置固定于地面以下，没有凸起的充电站，不影响道路视线，节省了空间；无积尘和接触损耗，无机械磨损，没有相应的维护问题，节省了人力成本；另外动态谐振式无线充电，可以使电动汽车一边行驶一边充电，这样可以使用较小电池容量，减轻了车体的重量以及电池成本。4）应用范围广谐振式无线充电技术可以用于电动轿车和电功公共汽车充电，也可以用于中小功率用电器无线充电，如手机、电脑、机器人等，应用前景光明。5）对人体无害谐振式无线输电属于近场非辐射能量传输，对于人体和周围非谐振体基本上不会产生任何危害，可以保证安全。本设计方案具体的节能减排效果为：1）省去了更换电池的成本：以目前市场的镍氢电池成本为5万、电动汽车为500万辆，备用电池为20%为例，可以省去500亿在电池上的投资。而且现在电池的标准没有统一，额外的投资将会超过这个数。2）无线充电有利于电网的调度，实现与电网的智能化互动。以调峰调频为例，对于100万辆电动汽车和722.73万kW的峰谷差的情形，可以节约255.01万kW调峰容量，调峰投资现值节约56.25亿。3）无需日常人工维护，节省人工费用。以广州将建200个充电桩为例，每个站需要5个人，人均月薪4000元，一年需要4800万。参考文献1 Krishnan S, Bhuyan S, Kumar V P, et al. Frequency agile resonance-based wireless charging system for electric vehiclesC. Proc. 2012 IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC). IEEE, 2012: 1-4.2 Song C, Kim H, Kong S, et al. Structure of handheld resonant magnetic coupling charger (HH-RMCC) for electric vehicle considering electromagnetic fieldC. Proc. 2013 IEEE Wireless Power Transfer (WPT). IEEE, 2013: 131-134.3 Salln J, Villa J L, Llombart A, et al. Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery chargeJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(6): 2140-2149.4 Wang C S, Stielau O H, Covic G A. Design considerations for a contactless electric vehicle battery chargerJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005, 52(5): 1308-1314.5 Ahn C, Kamio T, Fujisaka H, et al. Prototype of 5.8 GHz wireless power transmission system for electric vehicle systemC. Proc. of IEEE International Conference on Environmental Science and Technology (ICEST 2011). 2011: 128-131.6 Kurs A, Karalis A, Moffatt R, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonancesJ. Science, 2007, 317(5834): 83-86.7 J. Huh, S. W. Lee, W. Y. Lee, et al. Narrow-width inductive power transfer system for online electrical vehiclesJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(12): 3666-3679.8 Will Stewart. The power to set you freeJ. Science, 2007, 317(55): 55-56. 9 Sample A P, Meyer D A, Smith J R. Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transferJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(2): 544-554.10 胡长阳D类和E类开关模式功率放大器M北京：高等教育出版社，1985：79-84.附录已取得的与本作品相关的成果：1 黄润鸿，王学梅，张波. 基于有限元分析的自谐振线圈设计及电磁场仿真C. 第七届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集，上海，2013.2 Huang R H, Zhang B. Frequency, impedance characteristics and HF converters of two-coil and four-coil wireless power transferJ. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2014, to be published.3 张波，黄润鸿.一种USB接口的电子设备无线充电接收装置P.中国发明专利，201310320157.8, 2013.10.23.4 张波，黄润鸿，等.一种具有PFC的谐振式无线电能传输发射装置P.中国发明专利，201310317240.X, 2013.10.23.5 张波，黄润鸿，等.一种谐振式无线电能传输发射电路P.中国发明专利，201310573870.3,2013.11.13.6 张波，黄润鸿，等.一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路P.中国发明专利，201310615407.0，2013.1128.7 张波，黄润鸿，等.具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路P.中国发明专利，201310633822.9,2013.11.28.8 王振亚，王学梅，张波，等.电动汽车无线充电技术的研究进展J.电源学报，2014，待出版.9 王学梅，王振亚，等. 一种新型的家用太阳能无线供电系统P.中国发明专利，201410042902.1,2014.01.08.已完成的相关项目：南网科研院项目，已结题；学校百步梯“谐振式手机无线充电系统的设计”二等资助，已结题。