尤建祥， 王 辉，2， 陈金阳

（1.盘锦职业技术学院，辽宁 盘锦 124000；2.盘锦市教育装备工程技术研究中心，辽宁 盘锦 124000）

电动汽车投入市场能够较大程度上减少能源损耗，且减少二氧化碳的排放量，而想要实现这一目标，就必须要解决电动汽车充电不方便的问题。目前所采用的有线充电柱是通过充电枪来对电动汽车充电，如果遇到恶劣天气，很可能会因为充电枪或电缆老化、漏电等产生触电事故。相比来讲，无线充电技术在便利性以及安全性上具有更大优势，通过地面发射盘与车载接收盘两部分，使得电动汽车无论是在运动还是静止状态下均可以充电。针对电动汽车无线充电技术进行研究，对推动整个行业的持续发展具有重大意义。

1 电动汽车无线充电理论分析

与传统的插电式充电模式不同，电动汽车无线充电系统是利用电源自电网在电源侧发射端位置获取电能，并通过振荡器来产生高频振荡电流。然后此震荡电流会通过阻抗来对电路以及功率放大器进行匹配，并将电路放大，促使发射线圈周围形成一个非辐射磁场，以此来实现系统电能向磁场的转变。然后电动汽车侧面的接收线圈便会对固有的频率电磁波进行有效接收，以及接收电路所产生的最强振荡电流，实现磁场与电能之间的转换。通过这一过程，电流便可经过整流滤波进入到无线充电系统的限流调节电路内，来向电动汽车的车载电池充电，满足汽车驱动需求。

就电动汽车无线充电系统的运行原理可以确认，磁共振系统中发射以及接收线圈全部属于自振系统，根据其所具有的共振特性进行分析，可发现系统能耗是由系统发射端和接收端共同控制，使得传输能量的过程所耗能量最少［1］。鉴于能量传输的过程需要以共振系统为基础，因此可确定其不会影响到共振系统以外的其他物体。另外，无线充电系统的磁场强度与地球磁场差异不大，其有效的传输距离有限。以及基于电流传输所用技术的分析，确定如果电磁波频率增高，则磁共振系统面向空间辐射的能量也会随之增大，电流传输效率同样会相应增大。

2 电动汽车无线充电关键技术

2.1 电磁耦合器

电动汽车所应用的无线充电系统早期均为电磁感应式，电磁耦合器与分离变压器相似，使用时两者分开的间距仅有几毫米到几厘米不等，这就决定了电磁耦合器的传输距离非常小，抗偏移能力差，无法满足电动汽车实际应用需求。为了提高电动汽车充电的便利性与安全性，目前已经将电磁耦合器设计成平板式，将发射盘直接埋于地下或者与地面保持水平，而电能接受盘则安装在车辆底盘。此种全新的设计方式，其基本原理就是利用最少的磁芯获得最大耦合系数与抗水平偏移能力。平板式电磁耦合器主要分为单边型与双边型，双边如扁平式螺旋管线圈，其中间为扁平的铁氧体，以铁氧体作为中心在其外周缠绕线圈，具有较大的抗偏移能力［2］。但同时也是因为磁场分布为双面形式，耦合器产生的一半磁场是无用的，电能接收盘的背部如果不进行额外的磁屏蔽设计直接贴在汽车底盘，另一半的无用磁场就会对汽车底盘产生影响，引起的涡流会造成底盘发热，因此对于大功率无线充电系统并不合适采取此种双面型耦合器。单面耦合器依然是现在电动汽车无线充电系统研究的主要对象，其产生的磁场多集中于发射盘和接收盘之间区域，由发射盘产生的磁场进入到接收盘内之后，会有大部分直接被铁氧体聚集到内部，泄露出来的只有很少的一部分，确保了磁场的高利用率。

2.2 谐振补偿

电动汽车的无线充电系统，充电过程即电能在发射线圈和接收线圈之间相互传递，并没有作用于有功功率的传输漏电感。并且系统所设计的发射以及接收线圈之间的间距较大，两者之间耦合系数非常小，只有0.05～0.3。线圈距离、对齐程度以及面积大小是影响耦合系数大小的关键因素，使得无线充电系统内存在很大的漏感且互感很小，因此在进行线圈设计时，关键就在于增加耦合度，且取消漏感的补偿电路［3］。一般情况下，电容器被添加到电路中内，会形成磁耦合谐振电路。

现在正在进行研究的补偿拓扑结构较多，包括串联串联（SS）、并联串联 （PS）、串联并联 （SP）以及并联并联（PP）等。为降低系统伏安容量，一次侧电容可以使得输入电压与电流同相，称之为零相角 （ZPA）方法。其中，想要实现ZPA，可以通过谐振电容求解公式获得，其中Q2为二次侧线圈品质因数，K为耦合率。不同补偿方式的谐振电容求解公式如下。

其中，SS与PS拓扑结构中，Q=wL2／R；SP与PP拓扑结构中，Q=R／wL2，w表示开关频率。通过上述公式可知，SS拓扑结构中，一次侧电容与耦合系数以及负载无关；SP、PS、PP补偿结构中，一次侧电容会受耦合率的变化影响产生相应变化。相比来讲，无线充电系统采用SS补偿结构能够一直处于谐振状态下，耦合程度以及负载产生的影响更小，应用优势更加明显。但同时也需要注意，SS补偿结构系统中一次侧线圈电流会因为耦合系数以及负载的变化而受到影响。综合来讲，上述4种补偿结构对于电动汽车的无线充电系统应用适应性均比较低，目前已经提出研究新的复合补偿结构，且以发射端为LCC的补偿结构适应性最强，其系统一次侧线圈电流所受耦合系数以及负载的影响大大降低，可以更好地在发射盘上形成稳定磁场［4］。

3 电动汽车无线充电控制系统设计

3.1 系统设计方案

电动汽车无线充电一次侧实现的为电的高频化过程，二次侧则是高频化的直流化过程，在设计时应尽量增大系统功率因数，降低系统对电网产生的不良影响。这样就需要对系统频率进行跟踪确认，即无线充电控制系统的设计应具备功率控制功能。同时，系统耦合器电压需要通过相位比较产生的脉冲对逆变电路开关的开断进行控制，因此要求系统需要具备测定耦合器输出电压的功能。另外，系统一次侧和二次侧之间需要进行信息沟通，为实现信息共享，设计时还应添加CAN协议。以及为避免系统运行过程中程序跑飞以及死循环，应对系统电路添加复位电路和保护电路。

3.2 系统硬件设计

3.2.1 控制芯片

整个系统的运行状态主要是由芯片来控制，面对较多功能设计要求的系统，为确保无线充电系统运行稳定可靠，就需要有高性能的芯片作为支持，以便可以对电池状态进行实时监控，预测故障并预警，在故障发生后能够对整个电路进行有效保护［5］。要满足CAN通信要求，以功能强大且功能全面的芯片最佳。以STM32芯片为例，为32位处理单元芯片，功能非常强大，可满足系统设计要求。

3.2.2 复位电路

单片机编程时很多情况下会出现程序跑飞或者进入死循环的问题，为了保证在问题出现后单片机可以重新恢复运行，可以对系统设计一个复位电路。STM32复位电路如图1所示。

图1 STM32复位电路

3.2.3 保护电路

保护电路作为无线充电控制系统硬件设计的重要内容，需要根据实际需求来做好每一个细节的控制。在程序维持正常运行状态过程中，保护电路的功能不会发挥，而是在运行过程中出现差错异常可能导致系统崩溃的情况下，保护电路才会动作，确保系统能够恢复到正常运行状态。即电路均有一个正常运行的范围，如果超出此范围系统运行便会出现问题，保护电路将会发出闭锁信号来进行闭锁，以此来确保电路的安全性［6］。而当系统调节回到正常范围以内后，闭锁信号便会消失，系统重新恢复到正常运行状态。利用比较器来对输入信号和采样信号进行比较，同时设置一个安全阈值，比较过后的信息会直接反馈给单片机，然后根据比较信息来做出相应动作。

3.2.4 供电电源

所选供电电源必须要具有较高的稳定性，以此来维持单片机的正常运行，无论是过大或过小均会对单片机的运行产生不利影响，甚至会造成损坏。STM32芯片的供电区间在2～3.6V，可选择最常见的干电池供电形式。将干电池接入到系统电路内，利用降压芯片来促使电压降低，并通过稳压芯片作用维持在允许电压范围内，满足单片机的运行要求。

3.2.5 CAN通信接口电路设计

STM32单片机集成有CAN控制器模块，在对其接口电路进行设计时，可以先连接收发芯片和CAN总线，然后再连接单片机与收发芯片。例如VP230为一个CAN总线的收发芯片，其工作电压为3.3V，图2为CAN总线连接电路原理图。

图2 CAN总线连接图

3.2.6 MOSFET驱动

MOSFET驱动以及驱动信号产生电路是整个无线充电控制系统电路设计的核心部分，驱动信号产生电路即产生可以促使MOSFET管开断的方波信号，并且可以控制方波信号，达到控制开断的目的。

4 结束语

除了要对无线充电控制系统的硬件部分进行设计外，还需要重视对软件系统的设计，包括主程序与充电程序，保证可以维持整个系统的正常运行。加强对电动汽车无线充电系统的研究，对于推动整个行业的发展具有重要意义，即以高新技术作为支持，对原有充电系统中存在的不足进行改善和优化，提高电动汽车充电的便利性与安全性，满足日常生活实际需求。