0 引 言
随着能源短缺和环境污染问题的加剧 ， 电动汽车作为新能源汽车已经受到广泛的关注 ． 然而受电 ［2 ］ ， ， 池容量的限制 电动汽车的续驶里程短 还需要健全的充电设施 ． 传统的充电方式为插电式， 需要携带 笨重的电缆， 容易磨损， 插电或断电时容易产生火花， 雨雪天气有触电隐患． 为解决这些弊端， 无线充电技 ［3 － 5 ］ WPT） 开始应用于电动汽车上 ． 术（ Wireless Charging， 或者 Wireless Power Transfer，
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昆明理工大学学报（ 自然科学版）
第 40 卷
无线充电技术是基于非接触式电能传输技术的充电技术 ． 主要通过电磁感应、 电磁共振、 微波和激光 等方式实现非接触式电能传输的 ． 虽然无线充电技术有多种形式， 可是一般认为适用于动力电池充电只有 然而电磁共振式 WPT 要求 电磁感应式和电磁共振式两种 ． 这两种 WPT 技术都是基于电磁感应原理， 一次侧和二次侧谐振频率相同． 电磁共振式 WPT 系统可以提高能量的有效耦合和线圈的效率， 并且其对 两线圈的相对位置变化的敏感度较电磁感应式 WPT 系统小， 更适用于电动汽车环境． 本文主要介绍了电动汽车无线充电系统 ， 分析了无线充电技术的基本原理和控制方法 ， 着重介绍了补 偿结构的选择与设计以及线圈结构的设计方法 ．
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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四 ： 部分 带功率因素校正 （ Power Factor Correction， PFC ） 的 AC / DC 转换器、 高频 DC / AC 转换 器、 非 接 触 式 谐 振 变 换 器、 整流 器， 如图 1 所示． 首先， 工频单相或三相电 经带 PFC 功能的 AC / DC 转换器整流成高 压直流电， 然后直流电压经全桥 DC / AC 转化器转变成高频的交流方波加在非接 触式谐振变换器一次侧输入端， 这样线圈 有交流电注入而产生交变磁场， 二次侧线 圈在交变磁场中感应生成交流电 ， 再经整流成直流电， 从而给电池充电． 若采用调节一次侧前级电压的方 式调节功率， 需在一次侧 PFC 后增加降压电路 （ Buck 电路 ） ； 若希望汽车端功率可调， 需在二次侧整流器 后增加功率调节电路． 如图 1 中虚线所示． 此外， 电动汽车无线充电系统的一次侧和二次侧需要交换信息 ， 这就需要无线通信系统； 一次侧和二 次侧相对位置的变化会影响一次侧和二次侧线圈的耦合系数 ， 从而影响无线充电系统的传输功率和效率 ， 所以需要位置检测系统帮助驾驶员找到合适的停车位置 ； 当有金属或动物进入一次侧线圈和二次侧线圈 传输效率会降低甚至存在安全问题， 异物检测可以检测一次侧线圈和二次侧线圈之间是否有硬 之间时， 币、 铁块、 口香糖包装纸和小动物等， 一旦检测到异物， 系统将及时停止充电并通知驾驶员 ．
用于电动汽车的无线充电技术主要有感应耦合和电磁共振 ． 这两种技术都需要补偿网络与线圈形成 谐振电路从而构成非接触式谐振变换器 ． 一次侧线圈的补偿网络是为了使供电设备的伏安容量的等级最 小， 而二次侧线圈的补偿网络是为了提高传输功率 ． 无线充电系统的一次侧和二次侧是两个有着相互作用 的子系统． 设计无线充电系统需同时考虑一次侧和二次侧的补偿网络 ． 根据电容与线圈的连接方式有四种 基本的补偿结构 图 2 所示．
Abstract： Wireless charger （ or Wireless Power Transfer，WPT ） applied to Electric Vehicles （ EV ） is a new means of charging for EV． It is a new solution to avoid the hazards caused by charging batteries and to extend the EV driving range． A WPT system for EV application is introduced in this paper． The fundamental principles， control methods，compensation topologies and coil structures for electric vehicle WPT system are analyzed． The compensation topology，series compensation for both primary and secondary coils （ SS） ，which is applied to the resonant WPT system，is analyzed in detail． In this paper，the selection and design method for compensation topology and rectangular coils for electric vehicle WPT system as well as the simulation results，are provided as the theoretical foundation for building an electric vehicle WPT demo． Key words： wireless charging； electric vehicle； resonant WPT； compensation topology； coil design
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其中 ω0 为额定谐振频率． 一次侧补偿电容计算方法 如表 1 所示． PS 和 PP 三种补偿方 从表 1 中可以看出 SP、 式一次侧的补偿电容 C P 都是与 M 有关的， 其中 SP 和 PP 还和负载 Ｒ L 有关． 设计 WPT 系统时， CP 都是根据某一特定的 M 和 Ｒ L 设计的． 而由于停 车位置、 车辆载荷的不同或动态充电， 一次侧和二 次侧线圈的相对位置并不是设计值， 甚至是随时 （ ） ， 间变化的 动态充电中 这就导致实际中两线圈 的耦合（ 互感 M） 并不是设计值． 并且对于电动汽 车用的动力电池， 其充电时等效负载也是随时间 变化的． 而 SS 补偿结构的谐振频率不随耦合互感 M 和负载 Ｒ L 的变化而变化． 在 WPT 系统的实际应用中， 为了提高输出 电压或电流能力， 参数变化和系统频率的鲁棒 19］ 性， 还常用混合型补偿结构， 如文献［ 中的双 边 LCC 补偿结构． 本研究采用 SS 补偿的电磁共振式无线充 电系统． SS 补偿的无线充电系统结构较为简单 ， 本文着重对 SS 补偿结构进行分析和设计． 图 3 为 SS 补偿结构的可控电压源模型． 若所有元器件都是理想的， 输入电压与电流同相位， 系统处于谐振状态， 且只考虑一次谐波， 以输入电 压 U AB 作为参考， 由 KCL / KVL 可以得到： U ab U ab U AB U AB 1 * I1 = = I2 = = P out = P in = Ｒe { U AB ·I1 U U }= ∠0 ° ， ∠90 ° ， j ω0 M ω0 M j ω0 M ω0 M ω0 M AB ab
第6 期
李维汉， 赵
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韩， 张
坤， 等： 电动汽车无线充电系统分析与设计
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现软开关 ． 该控制方法较为复杂， 适用于电磁感应式 WPT 系统， 且多用于小功率调节．
3 电动汽车无线充电补偿结构设计
［8 － 10 ］ 、 游戏遥控器、 笔记本电脑、 平板电脑和植入式医疗设备 等． 国内外多所研究机构和多家汽车生产商已经开始研究无线充电技术在汽车上的应用 ， 尤其是应用无线 ［1 ］
无线充电技术已经可以应用于手机
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可以满足各种气候 充电Байду номын сангаас术给电动汽车动力电池充电 ． 无线充电技术省去了插头带来的麻烦和安全隐患 ， 还可以实现动态充电， 弥补电动汽车续驶里程短的缺点 ． 和环境条件下的充电，
第 40 卷 第 6 期 2015 年 12 月
昆明理工大学学报（ 自然科学版） Journal of Kunming University of Science and Technology （ Natural Science Edition）
Vol． 40 No. 6 Dec． 2015
doi： 10． 16112 / j． cnki． 53 － 1223 / n． 2015． 06． 011
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．
（ 3 ） 改变输入电压． 通过调节 WPT 谐振变换器输入电压来控制传输功率． 这种控制方法适用于大功 ［13 ］ 率电磁共振式 WPT 系统． 但需增加额外的升压变换器或降压变换器 ． 本文即采用该方法 ． （ 4 ） 移相控制． 其控制效果类似于改变输入电压 ． 移相控制技术是通过改变开关管的导通角来改变其 ［14 ］ 导通时间的技术． 该控制技术的开关频率不变， 避免了频率失控的问题， 适用于电磁共振式 WPT 系统 ． 但无法保证全范围的软开关． （ 5 ） 锁相环控制（ Phase Locked Loop，PLL） ． 该控制策略需结合 PWM 控制． 这种控制方法在调节 PWM 来调节传输功率的基础上利用 PLL 调节工作频率来实现软开关． PLL 通过测量输入电流， 计算输入电流的 过零信号与输入电压之间的相位差 ， 并且调节变换器的工作频率， 将这个相位差锁定为一个定值， 从而实
Analysis and Design of Wireless Charging System for Electric Vehicles
LI Weihan，ZHAO Han，ZHANG Kun，JIANG Hao
（ School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009 ，China）
电动汽车无线充电系统的分析与设计