针对高原无人区的汽车无线充电技术研究

西藏大学 袁 林 张 颖 何林峰 次仁欧珠 王辛岩

位于青藏高原的西北部，有着中国最大的无人区。如果车辆在其行驶途中一旦缺少燃油或电量供给，驾驶员及乘客很容易发生生命安全事故。本项目以高原无人区为研究区域，针对电动汽车未来的发展趋势及解决高原无人区电动汽车充电难的问题，主要研究和分析了磁耦合谐振无线充电的技术原理和应用模式。这为高原汽车无线充电技术提供了研究思路，为中国电动汽车的发展提供了有力保障。

引言：该系统主要由车道电源存储/输出装置、电能频率转换装置、能量传输装置及车载整流稳压装置等组成。在磁耦合谐振式无线充电系统工作时，首先车道电源存储装置源源不断的向电能频率转换装置输出电能。其次电能频率转换装置向能量传输装置（发射线圈）输送频率与接收线圈谐振频率大小相同的电压。同时接收线圈与发射线圈谐振，并且能量从发射线圈传输到接收线圈以实现能量传递。最后通过车载整流稳压装置为电机提供前进的动力。

一、无线充电技术的电源分析

中国最大的无人区位于高海拔地区，拥有独特的太阳能资源。因此，该系统主要使用太阳能供电。太阳能系统主要由吸收装置、转换装置、充电电路、放电电路组成，实现光能的吸收—电能转换—电能存储—放电的过程，根据不同负载的功率要求提供不同水平的电能。为保证太阳能系统输出最大功率和在不同充电情况时蓄电池的工作效果。本系统对太阳能系统的充放电特性进行了分析，得到了初充电和维持充电两种不同策略的充电控制。在初始充电阶段期间，电池的电流接收容量大于太阳能的输出容量。这时蓄电池处于浮动状态。当电池处于浮动状态时的浮动充电电压必须足够大以补偿电池的自放电特性。另外，铅蓄电池具有大的电压特性负温度系数，因此有必要合理地考虑温度变化范围。其过程主要是收集电池电压和太阳能电流数据以及与其对应的条件，通过诸如电流检测电路，设置太阳能控制电路、主电源控制电路、太阳能电池检测电路和充电控制电路。对太阳能控制电路或主电源控制电路的输入进行控制，并将电源用作路灯和能量发射线圈的电源。

二、磁共振耦合系统的磁共振分析

（一）能量传输过程特征分析

能量传输过程中，通过对发射线圈及接收线圈两个共振系统效果的分析，得到实际的感应线圈制作指标。通过有规律的调整线圈位置进行射频信号的分析，计算出实际频率振动的指标，研究其产生的弥漫效果。由于在非辐射磁场的过程中会发生共振效应，因此必须具有固定的频率。明确每个共振效应，分析检测表面的总能量水平、发射能量时非辐射磁场接收的能量，得出无线传输过程中实际接收的能量。同时根据实际接收能量分析传输端传输/接收的吸收效果，进行能量损耗的计算。

（二）耦合模理论研究

理论研究表明，耦合模理论用于分析具有相同共振频率的两个或多个物体之间的能量转移。磁共振耦合系统由接收线圈，发射谐振线圈，高频交流激励源和负载组成。耦合模理论可用于研究和分析该模式的耦合系统。

耦合模理论的核心公式，其数学表达式如下：

其中，（2.1）式中am(t)是谐振体m的幅度，τm是谐振系统的阻尼系数，ωm是谐振体m的角频率，kmn代表谐振系统中第m和第n个谐振器之间的耦合系数Fm(t)谐振系统的激励源。

（三）谐振电路分析

系统的基本电路是串联谐振电路，其中电容C和电感L串联，电路原理如图2.1所示：

图2 .1 R-L-C串联谐振电路图

其中U为谐振电路的电源电压，I为谐振电路中的电流，R为谐振系统中的等效负载，ω为系统的角频率，C为谐振系统的补偿电容。则谐振系统的等效阻抗为：

当系统处于谐振状态时，电路中的电容和电感的影响相互抵消，即：

计算系统应满足的角频率

此时，系统中的电流I最大，谐振系统的等效阻抗至少为R

根据上述分析，当LC振荡电路应处于谐振状态时，外部激励源的频率等于LC谐振的角频率。并且在理想状态下，电感和电容相互抵消，电路的等效阻抗最小。

三、磁共振耦合无线充电系统设计

如图所示，整个系统包括高频激励源装置、埋于地下的能量发射器、电源、位于车底盘上的能量接收器、充电电池、车载能量交换装置以及电控电机等部分。

图3 .1 电动车磁共振耦合无线充电系统结构图

在调谐电压之后，电源向激励源供电。输入电压由高频激励源激发，反转为所需频率和幅度的电压，并提供给埋在地下的能量发射元件。能量发射装置中的线圈产生交变磁场并且与能量接收装置中的接收线圈相距一定距离，从而接收由装置中的线圈产生的感应电动势，并在整流滤波和功率转换之后产生所需的直流电压，用于电池充电或电机工作。为了确保系统的安全可靠运行，检测接收侧和发送侧的电流和电压，并将收集的电压和电流信号反馈给控制器进行处理，以实现设备的正常运行。