浅谈电动汽车无线充电系统设计

徐位君 ， 谈 宸 ， 杨书明

（荆楚理工学院电子信息工程学院，湖北 荆门 448000）

0 引言

电动汽车不但是世界汽车产业转型升级的一个重要方向，同时也是解决环境污染问题的一个重要途径。目前电动汽车的研究进行得如火如荼，不管是国内还是国外都在致力于其中[1]。电动汽车的充电方式有两种，即有线充电和无线充电。有线充电虽然应用广泛，但是目前充电桩充电的时间比较长，并且充电多次拔插电源，存在安全隐患，充电线也会磨损，严重导致损坏[2]。无线充电能很好地避开这些问题，并且没有接触损耗与机械磨损等问题。投入在无线充电领域的研究很多，其充电方式也十分丰富，各具特色。在这些无线充电方式中，磁耦合谐振无线充电是研究的重点和热点[3-4]。

目前，国内外电动汽车磁耦合谐振式无线充电系统模型并不完善，没有完整的应用到电动汽车上的磁耦合谐振无线充电系统模型，同时也缺乏具体的一些优化控制策略，并且几乎没有考虑到充电时电池端的安全问题。文中对磁耦合谐振式无线充电系统进行了搭建，系统采用S-LCL补偿结构，并且将电池端的实时电压电流与温度反馈给输入端。文中利用Matlab/Simulink搭建了一个完整的应用到电动汽车上的电动汽车磁耦合谐振无线充电系统模型，通过仿真得到充电时的实时电压、电流以温度，对仿真结果进行了分析与对比，结果表明，能很好为后期搭建演示实验台架提供更好理论依据。

1 电动汽车无线充电系统

电动汽车无线充电系统主要包括以下部分：高频DC/AC逆变器、磁耦合谐振电能传输、整流滤波部分、电压、电流、温度信息采集部分以及主控制器与二次侧控制器，如图1所示。首先，直流电经过高频DC/AC逆变器，将直流电变为高频交流电，然后加在磁耦合谐振电路中的一次侧输入端，线圈因有高频交流电注入而产生高频交变磁场，二次侧线圈在高频交变磁场中感应产生高频交流电，再经过整流滤波成直流电，从而给电池充电。在其中加入了功率调节环节，防止高温或者过电压影响电池安全性以及使用寿命。

图1 电动汽车无线充电系统图

此外，电动汽车无线充电系统中的一次侧和二次侧需要进行信息的交换，此时需要无线通信系统，在一次侧与二次侧分别设置了控制器，两者通过无线通讯系统连接，二次侧控制器可控制整流滤波部分与功率调节部分，同时将从电池端采集到的电压电流温度信息通过无线通信传递给主控制器，以此实时监测电池的状态，主控制器通过得到的信息，将需要采取的措施传递给二次侧控制器，以此通过控制功率调节来保证充电时的安全。

2 电动汽车无线充电补偿结构设计

由于电动汽车无线充电系统中的传输线圈间为松耦合，其系统无功功率较高，则需要加入谐振线圈来提升传输效率。谐振网络又可称补偿网络，正常情况下它与一次侧线圈发生谐振，从而达到提升传输效率的效果和调整输出输入特性等。现在市面上常用的主要是串联（Series，S）补偿、并联（Parallel，P）补偿和串并联（LCL）补偿及其他一些在此基础上衍生的复合补偿网络[5]。

对于一次侧而言，S型补偿拓扑可与电压源型逆变器直接相连，输入阻抗较低且损耗小，易实现电压反馈调节作用；P型补偿拓扑直接需要电流源供电，易受扰动，在实际生活中较少应用；LCL型补偿拓扑能使一次侧发射线圈的电流保持稳定呈现出恒流源特性[6]，较适用于多负载传输。

对于二次侧而言，S型补偿拓扑能够保持电压稳定，可近似于恒压源的输出特性。P型补偿拓扑则能够获得类似恒流源的输出特性[7]，LCL型拓扑能进一步实现输出电流与负载的解耦，同时避免二次侧发生短路故障时对一次侧造成的过电流问题。

在LCL谐振的基础之上，文献[8]提出了LCC谐振网络，即在发射线圈支路上额外串入电容。该电路稳态条件下可等效成为LCL电路[9]，通过合理选择串入的电容值来调整发射线圈上的电流，同时可以隔离电源侧的直流分量，避免传输线圈的直流磁化。

考虑到电动汽车无线充电系统中，输入端通常为电压源，二次侧需要获得类似恒压源的输出特性，且LCL型拓扑能进一步实现输出电流与负载的解耦，同时避免二次侧发生短路故障时对一次侧造成的过电流问题，所以在此选择了S-LCL补偿结构，如图2所示，其中M为传输线圈间互感；L1、R1、L2、R2分别为发射、接收线圈的电感和等效电阻；C1、C2、L′2分别为一次侧、二次侧的谐振电容和谐振电感；RL为负载电阻；U为电源电压。

图2 S-LCL补偿结构

3 电动汽车电池端安全检测

在目前大多数的无线充电系统中，都未考虑到在无线充电时的电池安全问题，例如充电过程中的过电压、过电流、温度过高等，这些问题极易导致电池寿命减短，严重时会毁坏电池甚至整个系统。所以无线充电系统中亟需一个实时的监控系统，它能够实时地显示充电时的电压、电流以及电池的温度，以此来保障电池在无线充电时的安全问题。

在无线充电系统的一二次测，分别设置有主控制器与二次侧控制器，它们之间通过WiFi连接，二次侧控制器将二次侧采集到的信息（充电电压、电池电压、电流、温度）传递给主控制器，主控制器通过自动或者人工，采取相应的措施，或者将指令传给二次侧控制器，二次侧控制器再通过功率调节，解决相应的问题。

对于电压电流的采集，直接将电池两端的电压与通过电池的电流，运用电子仪器将电压与电流信息采集，将采取的电压与电流传递给二次侧控制器，该电压电流可直接显示到显示屏上；对于电池的温度，运用温度传感器，将采集到的温度，实时显示到显示屏上。电池端电压、电流、温度都能得到实时的检测，让电动汽车能够放心地进行充电。

4 系统仿真与分析

这里仿真采用的数据为：U=400V、f=13.56kHz、L1=25.39μH、L2=24.55μH、C1=10.75nF、C2=22.69nF、L`2=35.87μH、R1=25Ω、R2=25Ω、RL=10Ω。在仿真模型设计中，模拟设定时间为1h时，给系统一个过电压，观察其各项参数的变化。

如图3、图4、图5所示，正常充电状态时，电池组电压缓慢升高，充电电流恒定不变，也就是充电的第一阶段—恒流充电模式。在时间为1h时电压升高后，图3中有个冲击电压波形，但迅速下降，回归到正常状态。图4中电池组电压在整个过程保持正常状态，图5中电流在出现过电压的时候，瞬间值直接降为0，起到了保护电池组的作用，其后回归正常工作状态。

整个充电过程中，电池温度保持地较好，如图6所示。从图7中可以看到，电池充电电量满足日常的“先快后慢”状态，未出现异常情况。

图3 充电电压图

图4 电池组电压图

图5 充电电流图

图6 电池温度模拟图

从仿真图上得出的数据可以看出，整个系统工作稳定，在外界电压升高的影响下，其系统能自动恢复到稳定运行的状态，电池充电电压、电流保持稳定，充电过程温度未越限，整个系统工作表现良好。

图7 电池电量图

5 总结

文章提出了一种S-LCL型磁耦合安全型充电系统，该系统通过一二次的控制器，将二次侧信息进行收集后于一次侧进行分享，从而监视整个充电过程，保障无线充电的安全性。

搭建了Simulink模型，仿真表明该系统在有外界过电压的情况下，仍能保持正常的CC-CV充电状态，且整个充电过程中电池温度保持较好的状态，满足电动汽车无线充电的安全性标准，表明该系统能够在电动汽车无线充电时对汽车进行全方位的监视与保护，避免事故发生。