频率跟踪式电动汽车无线充电系统的研究

摘要：随着电动汽车产业的不断推广和发展，方便、实用的电动汽车充电系统需求更加迫切。本文基于谐振耦合无线传输机理，实现无线传输电能的设计。通过对LC谐振电路传输过程中出现谐振失谐导致传输效率下降现象的分析，提出一种频率跟踪式谐振无线传输电能模型，实现高效充电的目的。通过实验对模型数据比较分析，频率跟踪式谐振无线充电系统的输出电压、负载能力、传输效率等主要参数，比无跟踪式谐振电路高出很多。文中以谐振频率为Im的无线传输电能系统为实验样机，通过实验数据验证模型的高效性。 
　　关键词：无线充电；谐振耦合；频率跟踪；谐振式无线传输电能 
　　DOl：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.014 
　　引言 
　　电动汽车广泛使用的前提是解决电池供电的延续问题，要求能陕速、方便地实现电池的充电。目前、其充电方法主要有两种：有线充电（接触式充电）和无线充电（非接触式充电），电路结构不同，转换效率也不同，有线充电能量转换率近100%，无线充电能量转换率达40%-92%。无线充电系统主要类型有：感应式、谐振式和微波无线电能传输。感应式属于松散式耦合结构，类似于分离变压器，系统能耗达40%左右，转换率太低，消费者和电网公司均不能接受。谐振式无线电能传输利用近磁场共振耦合，能实现中距离有效传输，效率可达70%-92%；微波电能传输是一种远场辐射能量传输，易发散，效率低，易对人体产生危害。文中将以串联谐振电路为基础，建立LC谐振耦合无线电能传输模型，推导能量传输效率与线圈电感变化量的关系。并在LC谐振耦合特性基础上提出基于锁相环控制的频率跟踪式电能系统无线传输，利用实验比较有无频率跟踪情况下电能无线传输特性。 
　　1 谐振耦合电路谐振失谐机理 
　　电磁场随距离增大会讯速衰减，谐振电路是利用两个发生谐振的电路感应磁场变化，实现能量传递。根据谐振耦合电路工作原理得出，当发射回路与接收回路谐振频率一致时，大部分能量由发射回路传递到接收回路。若两回路谐振频率失谐时，接收回路得到的能量比发射回路传递出的能量会有很大衰减。 
　　通过LC谐振模型分析，谐振耦合无线传输除发射回路和接收回路，还有高频发射功率源和接收功率的负载。为简化分析，忽略高频逆变功率部分，直接以LC接收电路为研究对象，如图1所示。 
　　由图1可知，电能无线谐振传输效率方程（1）表示为： 
　　由式可知，谐振耦合电路的谐振参数确定后，谐振电容即确定，而ω、R₁