基于微网的电动汽车无线充电系统研究

基于微网的电动汽车无线充电系统研究

崔玉娃

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏省常州市 213000

摘要：当前，电动汽车具有广阔的发展前景，其无线充电技术的研究重点是磁路设计、功率传输优化和效率优化，以及磁路互操作分析、异物探测、电磁屏蔽、能量和信号的同步传输、动态无线充电路径引导等。本文拟针对微网中的电动汽车无线充电进行研究，旨在有效缓解电动汽车充电对电网造成的影响，并提升电动汽车充电的灵活性。

关键词：微网；电动汽车；无线充电技术

2020年9月中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。相比传统燃油乘用车，现有电动汽车每年在使用环节减少碳排放1500万吨左右，电动汽车推广措施是道路交通实现碳中和的最有力的措施。而电动汽车不能按时充电是制约电动汽车发展的一个重要因素，为此无线充电的发展成为决定电动汽车广泛应用的前提。相对于有线充电，无线充电技术具有充电智能化、配置灵活等优势，同时还可以实现动态供电，这恰恰解决了目前电动汽车动力电池容量有限而导致续航能力不足这一关键技术问题。而电动汽车的大力推广，其大规模充电必然对电网带来冲击。近两年，全国多个地区的光储输一体化电动汽车充电站纷纷建成投入使用，光伏发电、储能电池、智能充电桩等多项先进技术融合应用的模式日渐成熟。“光伏+储能+充电桩”形成了一个多元化的能源发电微电网系统，配备了光伏系统的充电站可以实现自发自用、余电存储，“光” “储” ”充”的有机结合，方便了电动汽车的使用，实现了绿色供能，极好的完成了能源的转换使用。因此，构建微网对于实现电动汽车无线充电有着非常重要的现实意义。

一、电动汽车充电模式简介

电动汽车是加速能源转型和实现低碳经济的重要手段，新能源技术已成为各国关注的焦点。目前，电动汽车采用的充电模式是基于充电站或充电桩，然而，此传统电缆充电模式存在容易产生火花、磨损、维护困难和灵活性不足等缺点。同时还存在充电设施配备不足，充电效率低，大电流充电影响电网稳定等问题。因此，如何有效地解决电动汽车的充电问题已成为亟待解决的重要课题。

无线电能传输技术(WPT)以非接触的形式进行电能传输，可以克服传统的直接接触式电能供给的不足，在电能供给方面有诸多优势。当前，电磁感应式、磁耦合谐振式和微波辐射式是无线电能传输方式的三种。其中磁耦合共振无线能量传输技术具有无辐射、高效、支持中距离大功率传输等优点，被广泛用于电动汽车充电领域。除此之外，在电动汽车持续普及的情况下，必然会对电网安全造成一定影响。另外，鉴于当前的能源利用状况，在电网内给电动汽车充电并不像常规燃油车辆那样产生大量的CO2，但也难以降低其对常规矿物燃料的依赖性。

然而，微网打破了传统大电网运行方式，将多个子系统集中在一起，能够为某一地区提供独立的电力供应，从而降低能源消耗，提升电力供应效率。微网接入常规网络端口，可大大提高其对电能的吸收率。该新型电力供应模式可有效缓解大规模电力供应带来的安全隐患，提高能源利用率，显著降低污染物排放量，并可实现新能源就地消纳，实现“零排放”。在当今社会，无线充电技术的应用已成为必然。然而，如果仅采用微网，则会产生一定的冲击，所以，通常将微网与无线充电相结合。在此基础上，本文提出无线充电方案，并利用该方案进行试验研究，结果表明，研究微网为电动汽车无线充电具有重要意义和实用性。

二、电动汽车无线充电原理

目前，电动汽车无线充电技术主要采用电磁感应和磁共振两种方式。电动汽车的无线充电其原理和有线充电的区别，就在于多了一个接受线圈，少了一个充电口。

电磁感应式是一种很先进的技术，比如手机无线充电、电磁炉。初级线圈中某一频率的交变电流，由于磁场的作用，使次级线圈中有一种电流，在使用过程中，需要两台装置之间的距离非常接近，电源的距离要控制在0毫米到10厘米之间。电磁感应无线充电具有能量转换效率高、可输出功率范围广等优点，可由几瓦至数千瓦。磁场共振式原理和声波共振有些相似，如果两种媒质谐振频率一致，那么就可以进行能量的传输。该方法的充电距离介于电磁感应型与射频波型之间，其优势在于其传输功率较大，可达数千瓦，可同时为多个装置充电，且不需要两个装置的线圈相匹配;但它的缺点在于损耗非常大，而且随着距离的增加，传输功率也会随之增加，最让人头疼的是，还需要对所用的波段进行防护。

三、微网环境下的电动汽车无线充电

实验系统结构如图1所示，微网系统，无线电能传输系统和电动汽车充电系统构成了一个完整的系统，并对其进行仿真分析。微电网提供无线电力传输系统所需的电能，该系统将电能传输到电动汽车，并根据车辆的充电需求为车载电池充电。

图1微网为电动汽车无线充电整体结构图

（一）微网系统

在微网系统中，受光伏阵列输出特性、太阳光强度和温度的影响，如何选取合适的最大功率点跟踪方法极其重要，使得光伏阵列输出的能量达到最大化，从而实现对太阳能量的有效利用。在 MPPT中，常用的控制方式包括:爬升式、基于梯度增量的导电增量、恒定电压以及增量电导法等。光伏发电系统与 DC母线直接相连，蓄电池采用双向 DC/DC并联的方式，实现最大输出功率的追踪和蓄电池充放电。在一定的温度下，测量其发光强度，并根据历史资料计算其最大输出功率。

（二）无线电能传输系统

同时，本文提出一种用于电动汽车无线传输的等效电路——SS型电路拓扑结构。结果表明，这种新结构具有更好的稳定性和更小的影响。而发射和接收线圈作为整个无线充电系统中最关键的部分，发射和接收线圈的设计将直接影响到无线能量传输的成败。在设计时，除了要保证高品质因数外，还要以自然共振频率为基准。同时，要对线圈进行合理的尺寸设计，材料的选用要合理，参数的选取要有次序，并要全程进行优化。本文以Litz线绕制，利用多根铜丝之特性，可有效地减少因电流之趋肤效应所造成的电阻影响，进而减少系统损耗[1]。

（三）电动汽车电池充电系统

图2为电动汽车电池充电系统。无线接收线圈都安装在电动汽车上，交流/直流模组将接收到的高频率电压与之相连接，并将之进行整流调压。在此基础上，直流控制单元按照所述车辆蓄电池的要求，对所述车辆蓄电池进行快速/缓慢、恒压/恒流的充电。本文采用铅酸蓄电池模型，并对铅酸蓄电池的充放电性能进行分析，如图3所示。

图2电动汽车电池充电系统

图3铅酸蓄电池充放电特性

如图3所示，在第一次电池充电过程中，端口电压明显升高，而电流改变得很慢。因而，如图3中所示的电动汽车无线充电控制方案是基于蓄电池的充电特征而设计的。在图4(a)中示出了整个控制模式;在电路板上的电池端电压很低的情况下，使用图4(b)所示的恒流充电控制方案;在荷电状态(SOC)发生变化，车载电池端的电压上升的情况下，使用图4(c)所示的恒压充电控制方式。当车载蓄电池的电压达到最高值，而充电电流低于最低值时，蓄电池就会停止充电[2]。

图4电动汽车的无线充电控制方案

四、仿真与实验结果分析

为了验证此方案的正确性，本文对此方案进行模拟试验，并对试验结果作了以下分析。在该试验中，光伏输出采用直流电源，这种方式能有效地减少电力损耗，同时也能减少过去家用电器容易引起的谐波，预计未来高频逆变器DCAC可以采用100kHz的高频电压来进行电能输出。此外，共振无线电能还能提高传递效率，特别是能优化传递数据。电动汽车上的电池一般采用日本LAF作为型号，当电动汽车不能接收到信号时，需要用模块对100kHz的高频率电压进行调节。并通过DC-DC装置对其进行充放电。仿真结果表明，该方案的实现是可行的:如果发射机和接收机之间的距离约为30cm，则无线电可以传输发射机和接收机间的电压曲线，该曲线用示波器TPS2014测量，并在信道之间进行隔离措施。实验表明，后者落后于前者π/2电角，理论和结果在整个过程中保持一致[3]。

结语

总之，电动汽车的蓬勃发展是一种不可避免的趋势，在这个过程中，它所面临的一个难题就是充电。在过去几年的研究中，人们一直主张采用大电网进行充电，然而，这样的充电方式会导致大量的浪费，还会带来一定的安全隐患。然而，随着科技的进步，微网无线充电技术在电动汽车上的应用越来越广泛，本文对该技术做了详细研究，并且通过仿真与试验验证了该技术具有可行性。

参考文献

[1]郭进国，鲁民巧.电动汽车无线充电系统的设计与仿真研究[J].邢台职业技术学院学报，2022，39(03):89-92.

[2]陈宁宁.浅谈微网下的电动汽车无线充电系统[J].科技视界，2017，No.193(07):165.

[3]肖朝霞，刘杰.基于微网的电动汽车无线充电系统研究[J].电工技术学报，2015，30(S1):231-236.