频率跟踪式电动汽车无线充电系统的研究

陈保帆

摘要：随着电动汽车产业的不断推广和发展，方便、实用的电动汽车充电系统需求更加迫切。本文基于谐振耦合无线传输机理，实现无线传输电能的设计。通过对LC谐振电路传输过程中出现谐振失谐导致传输效率下降现象的分析，提出一种频率跟踪式谐振无线传输电能模型，实现高效充电的目的。通过实验对模型数据比较分析，频率跟踪式谐振无线充电系统的输出电压、负载能力、传输效率等主要参数，比无跟踪式谐振电路高出很多。文中以谐振频率为Im的无线传输电能系统为实验样机，通过实验数据验证模型的高效性。

关键词：无线充电；谐振耦合；频率跟踪；谐振式无线传输电能

DOl：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.014

引言

电动汽车广泛使用的前提是解决电池供电的延续问题，要求能陕速、方便地实现电池的充电。目前、其充电方法主要有两种：有线充电（接触式充电）和无线充电（非接触式充电），电路结构不同，转换效率也不同，有线充电能量转换率近100%，无线充电能量转换率达40%-92%。无线充电系统主要类型有：感应式、谐振式和微波无线电能传输。感应式属于松散式耦合结构，类似于分离变压器，系统能耗达40%左右，转换率太低，消费者和电网公司均不能接受。谐振式无线电能传输利用近磁场共振耦合，能实现中距离有效传输，效率可达70%-92%；微波电能传输是一种远场辐射能量传输，易发散，效率低，易对人体产生危害。文中将以串联谐振电路为基础，建立LC谐振耦合无线电能传输模型，推导能量传输效率与线圈电感变化量的关系。并在LC谐振耦合特性基础上提出基于锁相环控制的频率跟踪式电能系统无线传输，利用实验比较有无频率跟踪情况下电能无线传输特性。

1 谐振耦合电路谐振失谐机理

电磁场随距离增大会讯速衰减，谐振电路是利用两个发生谐振的电路感应磁场变化，实现能量传递。根据谐振耦合电路工作原理得出，当发射回路与接收回路谐振频率一致时，大部分能量由发射回路传递到接收回路。若两回路谐振频率失谐时，接收回路得到的能量比发射回路传递出的能量会有很大衰减。

通过LC谐振模型分析，谐振耦合无线传输除发射回路和接收回路，还有高频发射功率源和接收功率的负载。为简化分析，忽略高频逆变功率部分，直接以LC接收电路为研究对象，如图1所示。

由图1可知，电能无线谐振传输效率方程（1）表示为：

由式可知，谐振耦合电路的谐振参数确定后，谐振电容即确定，而ω、R₁、R₂随谐振电感变化而变化，因此谐振电感量变化最重要。当发射源V_i的频率与接收电路谐振频率一致时，发射和接收电路呈现阻抗最低，流过收发线圈电流最大，能量传输效率最大。若电路失谐，发射源大部分能量消耗在本身电路上而不被接收电路吸收，能量传输效率极低。因此，保持LC谐振电路与发射源频率的一致性是实现谐振耦合电能无线传输的关键。谐振耦合的无线电能传输距离与互感关系式：

由式（3）可知，nl、₁，n₂为感应线圈的匝数，r₁，r₂为线圈半径，D为气隙间隔，谐振耦合电能无线传输互感与距离三次方成反比，因此距离越远，耦合越小，传输效率越低。

2 频率跟踪式谐振耦合系统

2.1谐振耦合无线充电系统

谐振耦合式无线电能传输系统基本结构如图2所示。

其工作原理：系统从电网吸收电能，经整流、滤波和高频逆变后形成高频交流电，经功率放大和阻抗匹配送至发射线圈。当发射线圈振荡频率与信号频率相同时，线圈电流最大，磁场最强。接收端线圈若有相同的谐振频率，则磁场耦合最强、从而实现高效电能传输。接收线圈形成感生电流经整流滤波和电压调节电路给负载充电。反馈控制电路保证系统的稳定性和高效性。

2.2频率跟踪式谐振耦合系统

基本谐振耦合无线充电系统可实现对电动汽车的高效充电，但车型不同、停车距离远近和偏移均会造成磁场偏移，导致接收电路与发射电路谐振失谐，严重影响电能无线传输效率。本文设计以锁相环控制双管谐振逆变器的谐振耦合系统，采用发射端频率自动跟踪，进行调谐，保证接收端在不同工况下，谐振频率与发射端频率相同，达到最佳电能传输。其电路主要包括：高频谐振逆变器、LC谐振耦合和频率跟踪三部分。频率跟踪系统结构如图3所示：频率跟踪部分工踪作原理如下：电流互感器检测发射谐振回路的电流信号，经转换为信号电压，经相位补偿后，进入锁相环，锁相环输出一个与频率相同的脉冲到PWM驱动器，控制逆变器的频率，实现频率的跟踪、保持发送与接收频率的一致性。

2.3频率跟踪方法

（1）高频电流信号检拾。

为保证工作效率的稳定性，需实时跟踪、发射电路工作状况，故设计高频电流检测电路。设定传输频率为1MHz，制作互感器需选用高频特性较好、不易饱和的磁芯制作图4高频电流检测电流互感器。

发射电路采用独立回路，所以电流检测需用差分结构。电流检测电路如图4所示，检测电路工作过程：高频电流经过电流互感器和检测电阻R后形成差动电压信号，经差动运放放大后，接入后级电路。图4中电阻值由差分放大电路原理，可知R₃=R₄，R₅=R₆。

2.4相位补偿电路

在电路中，电流采样、锁相环电路跟踪、差动放大和MOSFET开关等环节出现有时间延迟现象，导致高频谐振逆变器工作在容性状态。因此，需要对系统进行相位补偿，使逆变器工作在准谐振状态。相位补偿电路波形如图5所示，电流检测放大电压信号v_ρ作为相位补偿参考电压V_ref。当检测电流变时，V_ref与检测信号成正比变化，从而保证补偿相位不随检测电流变化而波动，导致补偿量不稳定。电路中设置可调电阻R_ρ调节V_ref的电压实现补偿量的灵活可调。

2.5锁相环控制方法

锁相环电路由74HC4046鉴相器、外接RC无源滤波器和压控振荡器（VCO）组成，如图6所示。输入信号ve进入鉴相器进行比较，当两者相位存在差异时，输出电压信号控制74HC4046的9脚，改变VCO振荡频率，使VCO的输出信号与ve接近，直到两信号一致，锁相环输入与输出信号同步，锁相环电路由74HC4046鉴相器、外接RC无源滤波器和压控振荡器（VCO）组成如图6所示。输入信号v_c进入鉴相器进行比较，当两者相位存在差异时，输出电压信号控制74HC4046的9脚，改变VCO振荡频率，使VCO的输出信号与v_c接近，直到两信号一致，锁相环输入与输出信号同步，从而实现频率跟踪。本电路中，利用R₁₁，R₁₂，C₅，D₁组成启动电路，当锁相环加电源后电容C₅充电使VCO电压下降，锁相环输出信号从最大降到最低，只维持在LC固有谐振频率，系统进入自动入锁。

3 实验结果

文中谐振耦合系统频率1MHz的谐振耦合系统。高频谐振逆变器输出功率45W左右。开关管采用IRF840； PWM驱动采用UC8421高速集成驱动芯片。差分放大和比较器分别采用高速运放LM318和高速比较器LM311；光电耦合采用4N35，工作频率达4MHz。

试验时，微调发射回路谐振频率在锁相环跟踪范围0.99-1.1 MHz内变化，测得锁相环输出脉冲V_out。在参数相同情况下，有频率跟踪的谐振无线传输电能系统实验数据如下：输入电压为DC30V/1.OA，传输距离为3cm。无频率跟踪时输出电压有效值为68.7V，负载电压波形存在畸形；有频率跟踪时，输出电压为106.8V，正弦波波形良好。经比较可知，两结果数据，频率跟踪时电压损失小，功率损失小，传输效率高。

通过改变传输距离D，分别设为3cm、5cm、lOcm、15cm和20cm时，传输曲线如图7所示，有频率跟踪与无频率跟踪在不同距离下，均高于无频率跟踪的效率，且随距离增加，效率下降大，与谐振耦合的互感与距离的三次方成反比的理论一致。

4 结束语

电动汽车无线充电技术具有方便快捷的优点，无线传输距离不同，导致谐振失谐，导致传输效率低下。通过对LC谐振耦合无线转输电能的理论研究分析，发射线圈电感量的微小变化，造成传输效率大大减小，接收端电感的变化对传输影响不大。本文设计以频率跟踪系统实现对发射线圈频率跟踪控制。实验结果表明，采用频率跟踪时，电能传输效果比无频率跟踪高。从而解决谐振耦合无线传输电能中失谐引起传输效率低下问题，具有推广实用性。

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