基于微電網(wǎng)的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)

0 引 言

近年來，作為清潔能源汽車的代表，電動(dòng)汽車（EV）得到了迅速發(fā)展 [1-4]。與傳統(tǒng)的有線充電方式相比，無線電力傳輸（WPT）[5-8]具有運(yùn)行安全、智能充電、配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，可降低電動(dòng)車電池的使用數(shù)量，以減少能源消耗。相對于傳統(tǒng)的大型電網(wǎng)，本文采用的微電網(wǎng)不僅可為小區(qū)提供電能和熱能，還可通過電力電子接口連接到電網(wǎng)，為大型電網(wǎng)提供電力或從大型電網(wǎng)中提取電力 [5]。本文基于整個(gè)系統(tǒng)建模，采用Matlab /SimuLink 進(jìn)行仿真分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微電網(wǎng)的可行性對電動(dòng)汽車無線充電具有重要意義和廣泛的實(shí)用價(jià)值。

1 微電網(wǎng)電動(dòng)汽車的無線充電系統(tǒng)

微電網(wǎng)無線充電系統(tǒng)由微電網(wǎng)系統(tǒng)、無線電能量傳輸系統(tǒng)和電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)組成。

1.1 微電網(wǎng)系統(tǒng)

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏發(fā)電利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電。由于光伏陣列的輸出特性、太陽光強(qiáng)度及溫度等因素的影響 [6-8]，為了使光伏電池在不同照明條件下處于最大功率輸出狀態(tài)，并充分利用太陽能，選擇可行的最大功率點(diǎn)跟蹤算法非常重要。最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）[9]中常用的控制方法包括爬升法、基于梯度增量的電導(dǎo)增量法、恒壓法及增量電導(dǎo)法等 [10]。光伏系統(tǒng)直接連接直流母線，電池通過雙向DC/DC 并聯(lián)到直流母線上，光伏最大功率點(diǎn)跟蹤和電池充放電由電池側(cè) DC/DC 完成。當(dāng)溫度恒定時(shí)，檢測光強(qiáng)度， 最大光伏功率輸出值由歷史數(shù)據(jù)獲得。

1.2 無線電能量傳輸系統(tǒng)

無線電能量傳輸模塊基于磁耦合諧振無線電傳輸 [11]。發(fā)射線圈和接收線圈具有相同的諧振頻率結(jié)構(gòu)，進(jìn)而電能由激勵(lì)電源發(fā)出，通過通道傳給負(fù)載回路。

1.3 電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車電池充電系統(tǒng)如圖 1 所示。無線接收線圈均放在電動(dòng)汽車上。AC/DC 模塊對接收到的高頻電壓進(jìn)行整流和濾波，然后通過 DC/DC 根據(jù)車載電池的要求，DC 控制器對車載電池執(zhí)行快速 / 慢速、恒壓 / 恒流充電。本文選擇靜態(tài)鉛酸電池模型作為電動(dòng)汽車的電池模型 [12]，鉛酸電池的充、放電特性如圖 2 所示。

從圖 2 中可以看出，在電池初始充電期間，端口電壓顯著上升，電流緩慢變化。因此，根據(jù)電池的充電特性，設(shè)計(jì)圖 3 所示的電動(dòng)汽車無線充電控制方案。整體控制方案如圖 3（a） 所示 ；當(dāng)板上電池端口電壓較低時(shí)，采用恒電流充電控制方案，如圖 3（b）所示 ；當(dāng)充電狀態(tài)（SOC）改變并且機(jī)載電池端口的電壓升高時(shí)，采用恒電壓充電控制方案，如圖 3（c）所示。當(dāng)車載電池電壓達(dá)到其最大電壓且充電電流小于其最小電流時(shí)，電池停止充電。

2 系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性， 使 用 Matlab / SimuLink 軟件為電動(dòng)汽車提供無線網(wǎng)絡(luò)，仿真結(jié)果如圖 4 所 示。圖 4（a）為 100 kHz 高頻電壓經(jīng) AC/DC 模塊整流濾波后形成的直流電。直流設(shè)備完全充電以滿足所需電壓，其仿真結(jié)果如圖 4（b）所示。

3 結(jié) 語

相較于傳統(tǒng)通過有線連接（即電纜連接）方式為電動(dòng)汽車進(jìn)行充電的大電網(wǎng)，本文提出了一種利用微網(wǎng)為電動(dòng)汽車無線充電的新技術(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用微網(wǎng)為電動(dòng)汽車進(jìn)行無線充電具有廣闊的應(yīng)用前景。