电动汽车无线充电技术主电路

电动汽车无线充电主要使用的是磁耦合式无线充电技术。磁耦合式无线充电技术最早使用在照明系统、工厂自动设备和植入式医疗设备等方向。电功率通过一、二次线圈之间的磁场耦合进行传递。电动汽车无线充电技术和以往其他应用的主要区别是需要同时满足大功率的能量传递以及较大的无线传递距离。由于汽车行驶的需要，汽车底盘和地面要有不少于10cm的间距。

图4-16 无线充电系统典型拓扑

图4-16所示为电动汽车无线充电系统典型拓扑。整个系统包括高频逆变器、一、二次补偿电路、无线充电耦合器、电池直流充电电路。电网电能通过高频逆变器将工频电流转换为耦合器所需的高频电流，通过补偿电路后接入耦合器的一次侧。高频的电流会在空间中产生高频磁场，通过二次侧线圈与二次侧补偿电路的谐振，将能量从一次侧接收到电池直流充电电路中。AC-DC变换器会将二次侧输出的高频交流电流转换为直流电流并按照设计好的充电策略对电池进行充电。

对于无线充电来说，电网、一次侧的高频逆变器、补偿电路和耦合器一次线圈都属于非车载设备，而二次侧的高频逆变器、补偿电路和二次线圈都属于车载设备。作为车载设备，无线充电器需要在满足充电功率等级的前提下，尽量地减少尺寸和重量。对于无线充电器，为了满足气隙间距、充电功率以及尺寸和重量等限制条件，必须使用高频逆变器。同时，由于无线充电耦合器是一种弱耦合变压器，电路中存在着非常大的漏电感，只有使用补偿电路才能够有效地提高变压器的传输功率和效率。

（1）无线充电电源

为了能够实现无线充电的商业应用，无线充电机不应该和传导式充电机价格差距过于悬殊。同时，由于电动车辆车载动力电池总容量比较大，整个充电系统的充电效率应该尽可能高，这样才能降低充电成本。无线充电设备需要满足上面两点，才能够在充电市场中具有竞争性。因此，高效率的高频电源是电动车无线充电技术的关键之一。

现有电动汽车无线充电样机的工作频率大都处于10～300kHz之间。磁耦合式无线充电系统可以工作于更高频率，大部分样机选择这个工作区间的主要原因是受到了高效率高频电源的限制。过去20年高频电力电子器件的快速发展，使得工作在这个频率区间内的高效率电源成为可能，也推动了电动汽车无线充电技术的发展。

目前，充电电源最常用的拓扑是全桥式逆变电路，一种常见的电流可双向流动的全桥式无线充电拓扑如图4-17所示。由于开关器件的开关频率限制，移相式控制是这种拓扑常用的控制方法。随着SiC和GaN器件的发展，PWM调制技术也逐渐被应用于无线充电电源。

图4-17 双向全桥式无线充电拓扑

根据对一、二次侧不同的控制策略，可以将无线充电控制策略分为一次侧控制、二次侧控制和双侧控制。一次侧控制适用于静态无线充电，此时一次线圈和二次线圈都处于静止状态，且二次线圈的数目固定。二次侧控制适用于二次侧有多个线圈的情况。和传导式充电一样，无线充电的电网侧也需要有功率因数校正设备来满足电网对无线充电设备功率因数的要求。

（2）补偿电路

如前文所述，无线耦合器是弱耦合变压器，一、二次线圈电感之间是弱耦合状态。电感的耦合系数k是用于表征一、二侧设备之间耦合紧密程度的参数，计算公式为

式中，M为一、二次线圈之间的互感；L₁为一次侧电感值；L₂为二次侧电感值。

为了能够实现更大功率的无线传输，耦合系数和线圈互感尽可能大，但是线圈间的间距限制了耦合系数大小。增加补偿电路的方法可以实现在不增大耦合系数的情况下提高系统的输送功率和效率。最基础的补偿电路有串联-串联补偿、串联-并联补偿、并联-串联补偿和并联-并联补偿。在此基础上，有学者提出了LCL、LCC等补偿电路用于提高系统效率。

（3）耦合器结构(www.xing528.com)

无线充电耦合器是负责建立磁场、将电能传送过气隙的设备，因此，无线充电耦合器设计也是电动汽车无线充电的关键技术之一。无线充电耦合器的结构有许多种，图4-18所示为圆形无线充电耦合器的结构。

图4-18 圆形无线充电耦合器结构

a）俯视图 b）侧视图

由图4-18可以看出，耦合器主要由线圈、铁心（铁氧体条）和铝背板组成。当电流通过耦合器线圈时，会感应出高频的磁场，通过加入磁性材料制成的铁心，可以提高耦合线圈之间的耦合系数。铝制背板的主要作用是降低对外界的磁场干扰。圆形耦合器是一种单极型耦合器。

除了圆形结构外，还有I形、DD形、DDQ形等耦合器结构。图4-19所示的DD形耦合器是一种双极性耦合器。

图4-19 DD形无线充电耦合器结构

a）俯视图

图4-19 DD形无线充电耦合器结构（续）

b）侧视图

上述的耦合器结构都是静态充电耦合器的结构。对于动态式无线充电，耦合器的结构分别有多点式和分布式结构，如图4-20和图4-21所示。

图4-20 动态充电多点式耦合器结构

图4-21 动态式充电分布式耦合器结构