新能源汽车无线充电系统设计与分析

(湖北科技职业学院 机电工程学院,武汉 430000)

0 引言

新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品,逐渐成为推动绿色出行的重要选择。但是,传统新能源汽车充电技术存在使用不便和充电效率较低等问题。随着电动汽车的普及,如何高效、便捷地为新能源汽车提供电能成为研究重点与难点[1]。

传统有线充电系统的插头和充电口容易因频繁插拔而磨损,甚至可能引发电击或火灾等危险[2-3]。无线充电技术通过电磁场传输能量,因此新能源汽车在充电时无需进行物理接触,避免了插拔电缆的烦扰,为用户提供了更加便捷和简单的充电体验。此外,无线充电系统的电气部件在充电过程中不需要直接暴露在外部环境,降低了电气接触导致的安全风险[4]。

本文对新能源汽车无线充电系统的结构进行详细阐述,并通过仿真和实验测试对其性能进行评估。通过本文研究结果有望提高新能源汽车充电效率,进一步增加其行驶里程,推动新能源汽车的普及,为环保交通方式的发展贡献一份力量。

1 新能源汽车无线充电系统关键技术

新能源汽车无线充电系统(Wireless Power Transfer,WPT)中,充电电源电流首先通过逆变器进行逆变,将直流电源转换为高频交流电流,经过逆变后的高频交流电流进入无线电能传输系统,也称无线功率传输系统[5]。

1.1 磁耦合结构

WPT磁耦合结构是一种在无线充电系统中常用的技术,用于实现电能的非接触性传输,主要结构包括两个部分:发射端(地面端)和接收端(车辆端)(图1)[6]。

图1 新能源汽车WPT系统工作原理

在WPT磁耦合结构中,发射端包含一个高频发射线圈L1,通过高频电源(如逆变器)将电能转换为高频交流电能,高频发射线圈L1产生一个强大的高频磁场,也称为共振磁场。接收端通常内部嵌入一个与发射端线圈相匹配的共振线圈L2,当新能源汽车停靠在充电桩或充电垫上时,接收端的共振线圈L2会吸收发射端产生的共振磁场中的电能。L1和L2之间的能量传输通过互感系数(M)来实现,互感系数表示两个线圈之间的耦合程度。当两个线圈之间的互感系数达到最佳匹配时,能量传输效率将最大化。

WPT磁耦合结构的优点是可以实现较高的能量传输效率和非接触性传输,使新能源汽车的充电过程更加便捷、高效和安全[7]。通过技术改进和优化,WPT磁耦合结构将为新能源汽车的充电技术发展提供更加可靠和先进的解决方案,推动新能源汽车的普及和推广。

1.2 WPT 磁耦合结构

在电磁场感应耦合结构中,发射端和接收端分别装有共振线圈(L1和L2)。当发射端通电时,L1产生高频电磁场,这个变化的磁场会在接收端的L2中感应出电动势,从而产生电流。通过电磁感应的方式,电能在发射端和接收端之间进行传输。磁耦合能量传输方式的作用距离计算公式如式(1)所示[8]

(1)

式中λ—为波长,m;

c—为光速,m/s;

f—为线圈谐振频率,Hz。

根据国家标准化管理委员会发布的电动汽车无线充电系统要求,设计应符合MF-WPT2(Magnetic Field Wireless Power Transfer 2)分类等级的无线充电系统,工作频率在85 kHz左右。根据这一要求,该无线充电系统的能量传输距离约为0.64 m。通过在85 kHz左右的频率下运行,该无线充电系统能在0.56 m的距离内实现电能的高效传输,适合在充电桩或充电点的周围提供便捷的充电服务,同时也避免了不必要的电磁辐射和能量损耗。

1.3 WPT 补偿网络结构

WPT补偿网络结构在无线充电系统中关键技术,用于优化电能传输效率和稳定性。补偿网络通常用于解决电能传输中可能出现的功率损耗、传输距离受限等问题。WPT补偿网络结构主要包括单耦合性补偿网络和复合性补偿网络。

1.3.1 单耦合性补偿网络

单耦合性补偿网络是一种常用的补偿网络结构,用于解决无线能量传输中因电路参数不匹配而导致的能量损失和效率下降的问题。基础补偿结构类型如下。

1)SS耦合。在SS耦合(Series-Series Coupling)补偿网络中,发射端和接收端的共振线圈(L1和L2)都与电容(C1和C2)串联连接。当发射端通电时,谐振电路可以使L1和C1在特定频率下产生谐振,从而形成强大的谐振磁场。同时,在接收端,共振线圈L2和电容C2也通过串联连接,形成一个相匹配的谐振电路。当接收端的谐振电路频率与发射端的谐振电路频率匹配时,接收端的共振线圈L2会吸收发射端产生的谐振磁场中的能量。

2)PS耦合(Parallel-Series Coupling)。在PS耦合补偿网络结构中,发射端的共振线圈与接收端的共振线圈分别与电容并联和串联连接,该结构可以优化传输效率,减少能量损失,并增加传输距离,进而提高能量传输效率和稳定性。

3)SP耦合(Series-Parallel Coupling)。SP耦合补偿网络结构中,发射端的共振线圈与接收端的共振线圈分别与电容串联和并联连接。

4)PP耦合(Parallel-Parallel Coupling)。在PP耦合补偿网络结构中,发射端的共振线圈和接收端的共振线圈均与电容并联连接,可以实现较大的传输功率和较短的传输距离。通过适当调整电容和线圈的数值,可以优化能量传输效率和稳定性。

1.3.2 复合性补偿网络

复合性补偿网络是在无线能量传输系统中常用的补偿网络结构,结合多种耦合方式的优势,用于优化无线充电系统的传输效率和稳定性。复合性补偿网络主要包括LCC补偿结构、LCC-S补偿结构、LCL-LCC补偿结构等。本文以双LCC结构为例开展分析,结构如图2所示。

图2 双LCC复合补偿结构

2 新能源汽车无线充电系统关键部件设计

2.1 逆变主电路的设计

新能源汽车无线充电系统的逆变主电路负责将直流电能转换为高频交流电能,实现无线能量传输。在本文选择合适的逆变器类型和拓扑结构,使其能将输入的220 V和50 Hz的交流电能逆变为输出400 V和85 Hz的高频交流电能。

2.1.1 逆变器输入功率

主电路通过将直流电能转换为高频交流电能,实现无线能量传输。主电路的结构主要包括逆变器、电源、变压器等。本文采用全桥式逆变器进行无线充电系统的设计,逆变器的输入电压为U1=400 V,计算公式如式(2)所示

(2)

式中Pin—为输入功率,kW;

Pout—为输出功率,kW;

η—为转换效率,%。

其中,Pout=6.6 kW,η=90%=0.9,代入式(2),计算得Pin=7.33 kW。

2.1.2 功率开关管选型

功率开关管在逆变器中负责控制电能的开关和调节,实现直流电能向交流电能的转换。常见的逆变器开关主要包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极性晶体管)、SiC MOSFET(碳化硅MOSFET)和GaN(氮化镓)器件。在本研究设计中,为获得可靠的新能源汽车充电系统输出功率和频率,可以选用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(绝缘栅双极性晶体管),进一步考虑到运行成本,本文选择MOSFET。MOSFET作为逆变器中常见的功率开关管,具有快速的导通和关断特性、高效率、经济实惠等优点,而IGBT相对来说价格较高。此外,IGBT在高功率和高频率应用中的散热要求也相对更高,需要更强大的散热设计。

2.2 控制电路的设计

在新能源汽车无线充电系统中,控制电路的设计主要功能是对逆变器和功率开关管进行精确的控制,实现高效、稳定的无线能量传输。通常采用功率因数校正电路来优化逆变器的输入电流波形,提高系统的功率因数,降低谐波污染,从而提高系统效率和性能。在电路设计中,本文采用EG8010芯片对逆变电路进行功率校正。

EG8010内部集成了PWM控制器和模拟前端电路,实现对功率开关管(如MOSFET或IGBT)的精确控制,从而实现高效的功率转换和稳定的输出波形,其电路引脚如图3所示。

图3 EG8010引脚结构示意图

2.3 电源电路的设计

电源电路可以为整个系统提供稳定的直流电源,确保逆变器和控制电路的正常运行。通常可以直接使用电源控制电路功能。本文采用单片机同步整流降压稳压器,将输入电压稳定降压为稳定的输出电压,同时通过同步整流技术减少能量损耗,提高系统的效率,为整个电路提供3A的负载能力,电路结构图如图4所示。

图4 电源电路结构示意图

3 系统运行测试与分析

本文将25 V模拟实验数据带入400 V仿真实验中,对本研究设计的新能源汽车无线充电系统传输效率进行分析,传输效率越高,能量损失越少,系统的充电效率和性能也越优秀,传输效率公式如式(3)所示

(3)

试验结果如表1结果表明,所示,传输效率在83.5%～84.1%之间波动,系统在传输效率方面表现出良好的性能,表示在不同功率水平下,传输效率相对稳定,但存在一些波动,可能受到系统配置、环境条件等影响。

表1 新能源汽车系统传效率试验结果

4 结语

本文基于新能源汽车无线充电系统关键技术及工作原理,设计了一种复合性补偿网络,通过实验数据和仿真结果的分析,得出以下结论:

1)复合性补偿网络。复合性补偿网络是一种常用的补偿网络结构,结合多种耦合方式的优势,可以优化能量传输的效率和稳定性。其中,SS耦合、PS耦合、SP耦合和PP耦合等补偿结构在无线充电系统中都发挥着重要的作用。

2)实验数据和仿真结果。本文将25 V模拟实验数据带入400 V仿真实验中,结果显示传输效率在83.5%～84.1%之间波动,表明该系统在电压传输方面表现良好,能够高效地传输能量。

3)新能源无线充电系统传输效率。根据试验数据计算得出,新能源无线充电系统的电压传输效率约为83.9%,表明该系统在电压传输方面表现良好,能够高效地传输能量,为无线充电技术的应用提供了有力支持。