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1.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,WirelessPowerTransfer,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,最早使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)领域得到了实验和使用,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使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和系统频率相同时,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,而不和或很少和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和电源电压VS比值为:
(3)
则两谐振线圈模型的S21和耦合系数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和地面距离的需要,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)谐振和非谐振的比较
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,这和直观的概念相符合,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分析方法来确定,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=ωL/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5~10,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
Vin
12V
L
12.0μH
L0
128μH
C
2.18nF
C0
3.77nF
R
7Ω
2.4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
实际实验中的线圈和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1.2Ω,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=1kΩ,R2=2.87kΩ,R3=100kΩ,电感L=10μH,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=68μF,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.创新点及使用
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)使用范围广
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,使用前景光明。
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,实现和电网的智能化互动。
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]KrishnanS,BhuyanS,KumarVP,etal.Frequencyagileresonance-basedwirelesschargingsystemforelectricvehicles[C].Proc.2012IEEEInternationalElectricVehicleConference(IEVC).IEEE,2012:
1-4.
[2]SongC,KimH,KongS,etal.Structureofhandheldresonantmagneticcouplingcharger(HH-RMCC)forelectricvehicleconsideringelectromagneticfield[C].Proc.2013IEEEWirelessPowerTransfer(WPT).IEEE,2013:
131-134.
[3]Sallá
nJ,VillaJL,LlombartA,etal.OptimaldesignofICPTsystemsappliedtoelectricvehiclebatterycharge[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2009,56(6):
2140-2149.
[4]WangCS,StielauOH,CovicGA.Designconsiderationsforacontactlesselectricvehiclebatterycharger[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2005,52(5):
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[6]KursA,KaralisA,MoffattR,etal.Wirelesspowertransferviastronglycoupledmagneticresonances[J].Science,2007,317(5834):
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[7]J.Huh,S.W.Lee,W.Y.Lee,etal.Narrow-widthinductivepowertransfersystemforonlineelectricalvehicles[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(12):
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[8]WillStewart.Thepowertosetyoufree[J].Science,2007,317(55):
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[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
已取得的和本作品相关的成果:
[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和电力传动学术年会论文集,上海,2013.
[2]HuangRH,ZhangB.Frequency,impedancecharacteristicsandHFconvertersoftwo-coilandfour-coilwirelesspowertransfer[J].IEEEJournalofEmergingandSelectedTopicsinPowerElectronics,2014,tobepublished.
[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,2.8,2013.10.23.
[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,2.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,2.3,2013.11.13.
[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,2.0,2013.1128.
[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,2.9,2013.11.28.
[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,2.1,2014.01.08.
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。
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