智能无线充电的技术及其应用

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　　摘要：新能源汽车做环保车辆，越来越被人们认识和接受，充电的方式不仅有之前的有线充电，新兴的智能无线充电技术也走进人们的视野。无线充电可以提升智能驾驶的体验，不需要人操作充电，车辆完成自动泊车后便自行开启充电。 本文介绍了国内外的发展现状，国家标准化管理委员会发布标准情况，分析了磁耦合无线充电的原理，并研究了整车上的应用方案。
　　关键词：无线充电;新能源汽车;磁耦合
　　中图分类号：TM724 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）08-0054-04
　　0 引言
　　新能源汽车近些年发展迅速，如何方便的充电是用户最关心的问题，也是制约新能源汽车普及的重要因素。当前充电方式分为有线充电和无线充电，有线充电在充电连接和拨充电枪时可能产生火花，影响充电连接设备的寿命也有安全隐患，同时有线充电环境要求较高，雨雪等恶劣天气时充电困难。而无线充电发射端埋在地下，靠电磁场传输能量，不产生火花，不产生磨损，解决了安全和维护问题;另外也不需要人为操作即可充电，大大提升了用户体验。
　　1 国内外发展现状
　　1.1 国外发展现状
　　国外整车企业如沃尔沃、奥迪、宝马、奔驰等整车企业，都已经开始研发或测试无线充电系统。美国WiTricity公司开发的无线充电系统Drive11，在2018年与宝马公司合作发布了搭载了3.3kW的无线充电系统，行业内第一款配置无线充电功能的车型BMW 530e。美国Evatran公司开发了PLUGLESS无线充电系统，并为特斯拉Model S、日产LEAF、宝马I3、雪佛兰volt等车技术支持，已实现3.6kW和7.2kW的无线充电功率。
　　1.2 国内发展现状
　　国内的无线充电技术与国外技术差距越来越小，东南大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等高校、中国科学院和科研机构已开展多年的研究，在磁耦合结构设计，电磁兼容性，负载识别，异物检测等多个技术方面取得了突破和创新。国内多家企业开发出无线充电系列产品，如有感科技、安洁无线、中兴新能源汽车、华为科技、中惠创智等，覆盖功率：3.7kW、7.7kW、11kW、30kW及以上。
　　国家的无线充电标准化工作分四个步骤：优先制定无线充电的基础标准，为产业提供发展环境;加快制定无线充电互操作标准，为产业提供应用条件;试点制定无线充电产品标准，为产业提供推广基础;制定无线充电运维标准，为产业提供服务准则。
　　关于无线充电系统标准已发布4项，《电动汽车无线充电系统第1部分：通用要求》、《电动汽车无线充电系统第2部分：车载充电机与充电设备之间的通信协议》、《电动汽车无线充电系统第3部分：特殊要求》、《电动汽车无线充电系统第4部分：电磁环境限值与测试方法》。该标准体系规划标准18 项，规范了电动汽车无线充电系统在公共以及私人应用领域的技术要求、性能要求、功能要求、安全要求、通信协议、测试要求及试验方法、互操作性要求及测试方法、施工验收、运行维护等。
　　2 无线能量传输的技术发展
　　2.1 电磁感应式无线能量传输
　　电磁感应式的运用是以电磁感应为基础，可以把这项技术理解成分离式变压器，一般压器由一个磁芯和初级线圈、次级线圈组成;当初级线圈加上一个交变压电压时，磁芯感应出交变磁场，次级线圈感应出相同频率的交变电压，即实现了能量传輸的效果。如果把发射线圈和接收线圈分开，当交变电压加在发射线圈产生了磁场，磁场穿过接收线圈、就产生电压，这样实现了无线能量传输[1]。
　　目前市场上较成熟的无线充电方式是电磁感应WPT方案，新西兰国家地热公园旅客电动运输车（充电功率30KW）是比较典型的应用之一，以及Splashpower公司的无线充电机等，电磁感应式WPT不仅能够运用在小功率电子产品中，还可在大功率EV无线供电系统运用。但电磁感应WPT技术的主要缺点是传输距离短，随着传输距离的增大，发射接收线圈错位，效率都会骤然下降， 在汽车上应用难度大。
　　2.2 电磁共振式无线能量传输
　　磁共振技术可以实现较远的传输距离，支持数厘米至无线充电。磁共振要求发射线圈和接收线圈的谐振频率相同，发射线圈通电后产生磁场;接收线圈与之发生共振，产生的电流整流后就可以为汽车动力电池充电。除了传输距离较远外，磁共振方式还可以同时对多个设备进行供电，并且不严格限制负载设备的位置，相对磁感应方式更加灵活。在传输效率方面，磁共振方式可以达到90%以上。
　　2007年，美国MIT Soljacic的研究小组使无线能力传输有了突破性进展，点亮了距离两米外的60W的灯泡，传输效率达到了40%，这个技术就是电磁共振式WPT。我开展WPT研究稍晚，2011年10月在天津召开了“无线电能传输技术”专题研讨会，2014年在南京召开了“无线电能传输技术与应用国际学术会议”，探讨了当前无线电能传输技术的新进展和当前研究中的问题。2018年启动了无线充电标准体系建立。
　　3 智能无线充电系统的原理及设计
　　3.1 基本原理
　　整个无线充电系统主要包括：功率传输控制器、地面端通信单元，功率接收控制器、车载控制单单元以及原、副边接收设备[2]。
　　功率传输控制器：用于输出端的功率控制，将电网的工频交流转换成为高频交流，驱动原边设备，并能根据地面控制单元的指令，实现电动汽车对整个无线充电的控制，控制器具备功率检测单元，可以时时检测输入功率，并由通讯模块发给车端。
　　功率接收控制器：用于车载端功率控制，对副边设备输出高频交流整流并按BMS的控制指令完成执行充电，控制器输出端有功率检测单元，可以时时检测输出功率，并由通讯模块发给车端，单片机计算输出与输入功率的比值，如效率低于设定值提时用户调整车辆位置。 　　地面、车载通信控制单元：通讯控制器，分别对功率传输器和功率接收控制器进行控制管理功能。
　　3.2 控制传输控制器硬件原理设计
　　控制传输控制的硬件包括功率因数较正电路和DC/AC转换电路，由于功率因数较正电路与连接电网的相同功率等级的用电设备原理相同，成熟度较高，不做研究。
　　DC/AC转换电路的振荡频率选为典型的85kHz，PWM的驱动源由UCC2895实现，全桥逆变电路中的MOSFET选用东芝的TK20D60T，最大漏-源电压VDSS为600V，导通电阻0.165Ω，最大的栅极-源极VGSS为30V。驱动芯片选用TI的UCC27324，驱动芯片后面接脉冲变压器然后驱动半桥。
　　3.3 功率接收控制器原理设计
　　副边设备的电流为85kHz交流电，经过整流桥整流和C2滤波，成为直流电;G1、G2、L2、C3形成一个BUCK电路，通过调整G1的占空比，调整输出电流和输出电压。Vfb信号经过处理之后连接单片机，单片机得到实时的输出电压;Ifb经过RC滤波、放大后连接单片机，单片机得到实时输出电流，最后单片机可以计算出接收端的实时输出功率。当充电过程中动力电池出现异常，急需断开输出，只需给G1驱动低电平，不需要从原边停止输出，起到了快速保护效果，参见图1所示。
　　3.4 单片机控制电路设计
　　控制芯片选用英飞凌XC886，采用兼容8051处理器的XC800内核。此外，由于XC886具有XC866的所有功能，因此可以方便地进行从XC866到XC888的程序移植。主要特性包括：I/O为5.0V供电，上电自动复位;可编程16位看门狗定时器;六个端口：多达48个数字I/O;8通道、10位模数转换单元ADC;同步串行通道SSC;两个全双工串行接口UART和UART1，综合以上基本满足功能要求。外围接口通过英飞凌的提供的软件工具DAvE配置，提高了软件设计的效率，可以设置的外围接口有：GPIO、UART/UART1、CCU6、MultiCAN、ADC、SSC和JTAG。
　　4 测试结果
　　4.1 实验条件
　　实验温度：20℃。
　　实验设备：示波器泰科TDS3034C，电源分析仪PM3000，FLUKE数字万用表，PCAN等。
　　负载：电动车。
　　待测试设备：无线充电系统一套，含：车载、非车载功率组件（相同的壳体结构）。
　　4.2 测试结果
　　首先对智能无线充电系统做了台架测试，如图2所示，包括基本的功能和性能;主要功能如，地面端和车载端的通讯，故障诊断及显示，待机唤醒功能等，都满足了整车功能要求。性能方面如，功率因數达到98%以上，电磁骚扰满足国家要求，功能样机功率≥3.3kW;无线传输距离汽车底盘到地面的距离：182～258mm等，关键参数满足应用需求。
　　基于整车的无线充电系统调试，实现了车载端功率控制单元可以对动力电池充电，充电过程中的电流、电压及温度等信号的显示，整车无线充电系统不同偏移量时的充电效率参见图3所示。
　　5 总结与展望
　　5.1 全文总结
　　本文以新能源汽车的快速发展和有线充电的技术问题为背景，以智能无线充电系统为研究对象。研究的内容包括新能源的国家政策、市场前景，无线充电的标准和充电发展方向，功率传输、功率接收控制单元等关键的电路，无线充电系统台架测试及基于整车的调试，最后实现了在182～258mm内，输出功率3.3kW，充电效率达到85%～89%。
　　5.2 展望
　　无线充电产业在2020-2025年会快速发展，实现无线充电商业化运营[3]，2025年后，随着智能驾驶产业成熟，无线充电会有大量的市场需求，大大提高了电动汽车的驾驶体验。在产业化成熟之前，智能无线充电项目如，专用场站、立体车库、示范试点等开始发展。目前各整车企业在无线充电领域的技术储备还不够，车载设备在整车上的布置，热管理方案，无线充电系统与整车匹配策略，无线充电系统与自动汽车的匹配还需要大量的测试和验证。
　　参考文献
　　[1] 张茂春，王进华，石亚伟.无线电能传输技术综述[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2009（5）：485-488.
　　[2] 张峰，王慧贞.非接触感应能量传输系统中松耦合变压器的研究[J].电源技术应用，2007（4）：54-58.
　　[3] 王振亚，王学梅，张波，等.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].电源学报，2014（3）：27-32.
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