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电动汽车谐振式动态无线供/充电装置设计阐明书

设计者：黄润鸿，王振亚，周丽萍，芮强，詹玉香，郑浩，周文栋
指引教师：张波 专家
（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，其重要目是为了克服既有电动汽车续航能力差，充电时间长等缺陷，通过运用谐振式无线电能传播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，可以有效减少电池容量，节约顾客充电时间；此外这种无线充电装置发射某些普通埋在地面如下，节约道路空间，并且安全可靠，可以节约维护成本。通过优化设计，可以使得电能无线传播某些效率达到90%以上[1-2]。整个系统重要发射某些和接受某些，其中发射某些由工频交流输入、整流滤波、高频逆变及功率放大、电能发射线圈等模块构成；接受某些由电能接受线圈、整流稳压模块、电池/电动机等某些。普通发射某些普通置于地面如下，接受某些普通集成在电动汽车内，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
一方面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，设计最优传播功率和传播效率条件；依照实际条件设立了仿真参数，借助仿真软件Ansoft HFSS 对发射线圈和接受线圈之间高频电磁场进行了仿真；通过前面理论分析和仿真，设立最佳参数，制作出了一种电动小车谐振式无线供电装置，小车可以在没有外部电池供电状况正常转动，从而证明本设计是可行。
联系人：黄润鸿，手机：，E-mail：

1. 研制背景及意义
电动汽车可以较好解决机动车污染排放和能源短缺问题，符合国家节能减排政策需求，因而受到了诸多国家和政府勉励和支持。老式电动汽车普通采用有线充电方式，但其要考虑诸多问题：如充电安全问题，特别是下雨时候，也许导致电击触电等意外；此外充电站、插座、电缆等易于损坏，还也许面临被偷危险；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，夜晚容易导致交通事故；尚有充电站建设和维护成本较高。
针对电动汽车有线充电存在种种弊端，电动汽车无线充电技术可以有效地解决上述问题。使得电动汽车充电更快捷、以便、安全，这有助于电动汽车进一步推广和普及。
当前无线充电技术（或无线电能传播技术，Wireless Power Transfer，WPT）重要有三种：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年代就已经浮现，最早应用在电动牙刷充电上，近来20近年已经在电动汽车（重要涉及轿车和公共汽车）领域得到了实验和应用，其充电功率和效率都比较高，其缺陷是需要精准对位，传播距离小，普通在厘米级别[3-4]；辐射式无线充电重要涉及微波和激光两种形式，但其频率很高，普通在GHz以上，容易对人体和生物产生危害，并且电能发射和接受难度很大，电能传播效率很低[5]；谐振式无线充电技术在由MIT学者提出[6]，它是一种新型无线电能传播技术，具备传播距离远（普通可达几米），效率相对较高，频率普通为几MHz，对人体没有辐射危害，空间自由度大等长处。
将谐振式无线电能传播技术应用在电动汽车无线充电中，可以实现电能高效、清洁、安全、便捷运用，示意图如图1所示；此外谐振式无线电能传播对空间位置不敏感，在一定范畴内可以较为稳定为系统供电，因而在理论上讲，通过设立各种充电装置，可以实现电动汽车动态充电（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重要涉及如下几种某些：工频220V交流输入，高频功率源，发射线圈，接受线圈，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：系统从电网吸取电能，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，当发射线圈自谐振频率与系统频率相似时，发射线圈电流最大，产生磁场最强；此时接受线圈若有相似自谐振频率，则会通过磁场产生很强耦合，从而实现电能高效传播。接受线圈中电能经整流滤波和稳压调节电路给负载电池进行充电。同步整个系统通过反馈控制环节来保证系统稳定性和高效性。

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播原理
谐振耦合无线电能传播运用电磁近场共振耦合，把能量以“隧道”形式从一种谐振线圈高效地传播到此外一种谐振线圈，而不与或很少与非谐振物体发生能量互换。理论分析表白未被负载吸取某些能量会返回发射端，从而不会对效率导致影响[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播基本原理。完整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. 考虑电源内阻两谐振线圈模型
定义S参数[9]：（S21代表系统传播功率能力）
(1)
依照KVL，可得系统方程：
(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S21与耦合系数k、频率f之间关系如图5所示。由图中可见，谐振耦合无线电能传播系统存在过耦合、临界耦合和欠耦合三个区域。在过耦合区域，S21会浮现频率分裂现象，过了临界耦合区域，S21随着k减小而指数衰减。
因而，电动汽车无线供/充电距离应当设计在临界耦合点处，此时保证电动汽车得到最大输出功率。或者依照电动汽车底盘与地面距离需要，设计发射和接受线圈尺寸，同样实现电动汽车最佳输出功率。

图5. 两谐振线圈S21曲线图
2.2 电磁场仿真
1）谐振与非谐振比较
仿真成果如图6所示。当无线发射线圈和接受线圈处在非谐振状态时，由磁场分布可以看出，发射线圈能量基本不能传播到接受线圈；而当发射线圈和接受线圈处在谐振状态时，传播效率可以达到很高，这与直观概念相符合，即共振可以高效传播能量。

图6. 磁场分布. (a)非谐振；(b)谐振.
2）谐振线圈谐振频率拟定
谐振线圈谐振频率拟定当前还没有有效解析办法来拟定，有限元分析则提供了较好办法。以单个螺旋线圈为例，用HFSS软件仿真得到S参数曲线如图7所示，依照图7S参数幅值最大值可以拟定线圈固有频率。此办法可为本作品线圈设计提供指引，避免通过实验办法重复测量和设计导致时间挥霍。

图7. S参数曲线
2.3高频逆变器设计
1）拓扑构造及工作原理
图8为典型E类高频逆变器，构造简朴，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为涉及MOS管结电容和外加电容，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从关断到开通过程中，它漏极电压会随着电容C0和负载网络瞬变响应而变化。因而定义一种负载阻尼系数QL=ωL/R，当QL过低时，开关管漏极电压会在关断时刻还没下降到零，从而会浮现大电流和大电压状况，从而烧坏开关管；当QL过高时，由于负载网络是一种二阶系统，会使开关管漏极电压下摆到负值，从而也许会导致开关管反向击穿。依照文献[10]，QL应取5~10，其她参数设计为：
(4)
(5)
(6)
依照以上关系，可以设计本作品高频逆变器参数如表1所示。
表1 高频逆变器参数
参数
数值
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
无线充电当中最惯用有两种线圈，一种是平面盘式，一种是空间螺旋式，如图10所示。考虑到实际状况，咱们普通采用平面盘式构造（节约空间，便于安装）。

图10. 无线充电线圈形状
实际实验中线圈与电动小汽车大小相称，尺寸约为20*10（单位：cm），为了增强发射线圈和接受线圈之间耦合且便于背面计算，咱们采用两片相似印刷电路板线圈。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,因而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受线圈电压波动较大，因而应选用较宽范畴稳压模块，本装置中采用美国国家半导体公司（NI）生产稳压器LM22676-5.0，该芯片输入电压范畴较大（8V-42V），输出稳压5.0V，输入电流最大可达3A。详细整流和稳压电路如图12所示。

图12. 整流和稳压电路
其中接受线圈为RX，采用全桥整流电路，整流二极管型号为1N5819；稳压电路中详细参数为：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，负载为电动小汽车驱动电机。
依照以上各个模块参数分析，设计制作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下层，接受线圈在有机玻璃上层。左图发射线圈和接受线圈错开，右图发射线圈和接受线圈上下重叠。电动汽车模型电池已经拆除并放置在旁边。电动汽车工作状态见附件视频。

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种种局限性如：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备一系列长处，并且有诸多创新之处，详细如下：
1）充电更加安全
适应雨雪等恶劣天气和环境等，没有电火花和触电危险；普通电能发射装置埋藏于地面如下，电能接受装置位于车体内，不易于损坏或被偷。
2）充电更以便、快捷，技术更为先进
运用谐振式无线充电技术可以使电动汽车随时随处充电，省去了有线充电繁琐过程。
3）减少了各种成本
由于充电装置固定于地面如下，没有凸起充电站，不影响道路视线，节约了空间；无积尘和接触损耗，无机械磨损，没有相应维护问题，节约了人力成本；此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，减轻了车体重量以及电池成本。
4）应用范畴广
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播，对于人体和周边非谐振体基本上不会产生任何危害，可以保证安全。
本设计方案详细节能减排效果为：
1）省去了更换电池成本：以当前市场镍氢电池成本为5万、电动汽车为500万辆，备用电池为20%为例，可以省去500亿在电池上投资。并且当前电池原则没有统一，额外投资将会超过这个数。
2）无线充电有助于电网调度，实现与电网智能化互动。以调峰调频为例，对于100万辆电动汽车和722.73万kW峰谷差情形，可以节约255.01万kW调峰容量，调峰投资现值节约56.25亿。
3）无需寻常人工维护，节约人工费用。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。

参照文献
[1] Krishnan S，Bhuyan S，Kumar V P，et al. Frequency agile resonance-based wireless charging system for electric vehicles[C]. Proc. IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC). IEEE，：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 field[C]. Proc. IEEE Wireless Power Transfer (WPT). IEEE，：131-134.
[3] Sallán J，Villa J L，Llombart A，et al. Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，，56(6)：2140-2149.
[4] Wang C S，Stielau O H，Covic G A. Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，，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 system[C]. Proc. of IEEE International Conference on Environmental Science and Technology (ICEST ). ：128-131.
[6] Kurs A，Karalis A，Moffatt R，et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science，，317(5834)：83-86.
[7] J. Huh，S. W. Lee，W. Y. Lee，et al. Narrow-width inductive power transfer system for online electrical vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，，26(12)：3666-3679.
[8] Will Stewart. The power to set you free[J]. Science，，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 transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，，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：高等教诲出版社，1985：79-84.

附录
已获得与本作品有关成果：
[1] 黄润鸿，王学梅，张波. 基于有限元分析自谐振线圈设计及电磁场仿真[C]. 第七届中华人民共和国高校电力电子与电力传动学术年会论文集，上海，.
[2] Huang R H，Zhang B. Frequency，impedance characteristics and HF converters of two-coil and four-coil wireless power transfer[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，，to be published.
[3] 张波，黄润鸿.一种USB接口电子设备无线充电接受装置[P].中华人民共和国创造专利，1037.8，.10.23.
[4] 张波，黄润鸿，等.一种具备PFC谐振式无线电能传播发射装置[P].中华人民共和国创造专利，10317240.X，.10.23.
[5] 张波，黄润鸿，等.一种谐振式无线电能传播发射电路[P].中华人民共和国创造专利，10573870.3,.11.13.
[6] 张波，黄润鸿，等.一种谐振式无线电能传播系统高频变换电路[P].中华人民共和国创造专利，10615407.0，.1128.
[7] 张波，黄润鸿，等.具备阻抗匹配网络无线充电系统高频变换电路[P].中华人民共和国创造专利，10633822.9,.11.28.
[8] 王振亚，王学梅，张波，等.电动汽车无线充电技术研究进展[J].电源学报，，待出版.
[9] 王学梅，王振亚，等. 一种新型家用太阳能无线供电系统[P].中华人民共和国创造专利，10042902.1,.01.08.
已完毕有关项目：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设计”二等资助，已结题。