一种无线充电汽车的阻抗自适应匹配电路设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无电汽车充电领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电系统发射端与接 收端的自适应阻抗匹配装置。该装置主要针对无线供电系统中发射与接收线圈距离不固定 时引起的阻抗变化而造成的系统传输性能下降，尤其针对电动汽车因底盘高度的变化而引 起无线供电系统输入输出阻抗变化所造成的系统性能的下降，提高了电动汽车无线供电系 统的可靠性与通用性。
【背景技术】
[0002] 电动汽车是当前大力发展的新兴技术，是解决当前化石能源紧缺的有效途径之 一。目前，为提高电动汽车充电的有效性和灵活性，各大汽车厂商在研宄传统有线充电的同 时也在大力研宄电动汽车无线充电技术。目前可用于电动汽车无线充电的技术主要包括电 磁感应式无线供电技术和非辐射近场磁耦合式无线供电技术。前者研宄较早，目前技术较 成熟，传输效率通常可达到90%以上，但其缺点是传输距离有限，通常小于10cm，并且要求 发射端与接收端的中心位置匹配且固定，而在电动汽车无线供电环境下难以满足该条件。 非辐射近场磁耦合式无线供电技术是近几年兴起的新型无线供电技术，与磁耦合式无线供 电技术相比，其可在l-2m的中等距离内实现大于80%的传输效率，并且对发射端与接收端 中心匹配要求较低，因而成为当前电动汽车无线供电领域研宄的热点。
[0003] 当前，将非辐射近场磁耦合式无线供电技术应用于电动汽车无线充电还主要停留 在实验阶段，难以推广普及，这主要是因为该技术的推广应用还存在大量的技术难题，其中 这一即是自适应阻抗匹配技术。
[0004] 当前，在众多的电动汽车无线充电方案中，最受认可的方案是分别在汽车停泊位 置的地面上以及电动汽车底盘上安装无线供电装置的发射端与接收端，理想情况下，当在 地面上的发射端施加电压源后，电能就会通过磁谐振耦合的方式传送至汽车底盘上的负载 端。无线供电系统通常以传送效率来表示无线供电系统性能的优劣，a%的传送效率高即意 味着在发射端所施加的一定功率的电能中的a%可以到达负载端。通常，影响传送效率的因 素除谐振线圈设计以及环境因素外，还与发射端及接收端的匹配性能有关。通常，发射端与 接收端良好的阻抗匹配是实现90%的传送效率必要条件；而若发射端与接收端未实现阻 抗匹配，则系统的传送效率可能低于5%。因此，为实现高效功率传输，发射端与接收端阻拦 匹配是必须的。
[0005] 所谓阻抗匹配是指：假设未添加自适应阻抗匹配网络时，在发射端，驱动线圈与交 流电源连接处向谐振线圈看去，其阻抗Rin与向交流电源看去的阻抗RSource相等；在接收 端，负载线圈与负载连接处向谐振线圈看去，其阻抗Rout与向负载看去的阻抗RLoad相等。 为实现最大功率传输，通常要使得Rin = R*Source，Rout = R*Load (上标*表示共轭）。而 RSource与RLoad为固定值，由电源和负载特性决定，并且通常为实数。而Rin与Rout除与 系统自身结构及材料有关外，还要受到发射端与接收端距离以及RSource与RLoad的影响。 考虑到电动汽车的充电环境，对于不同汽车，其底盘高度不一样，这使得发射端与接收端的 位置因车型不同而不同；并且，对于同一个车型，其底盘与地面的高度也会因车上载重的不 同而不同，这使得发射端与接收端距离不固定，从而影响了 Rin与Rout。此外，对于不同的 无线供电装置，其RSource和RLoad也不一样，造成阻抗匹配网络的不通用，这也在很大程 序上限制了电动汽车无线充电技术的应用与推广。
[0006] 对于无线供电系统中的自适应阻抗匹配网络，申请号为201210001255.0的专利 "非接触式电力传输设备及用于其的电力传输"提出在发射端加载自适应阻抗匹配单元，采 用电感并联两个可调调谐电容结构。申请号为201110163822. 8的专利"一种自适应无线充 电系统"提出通过反馈控制电路控制输入端功率与阻抗匹配。以上专利均考虑到具体的阻 抗匹配电路形式及阻抗匹配过程。
[0007] 本方法针对电动汽车无线充电环境下发射与接收端阻抗匹配需要实时调整的特 性，设计了一种自适应阻抗匹配电路，并通过遗传算法自适应搜索最佳匹配状态，实现无线 充电时快速匹配，达到无线功率传输的最大化。具体地，所述方法包括：
[0008] 1):采用电磁感应式阻抗变换器，即采用绕制在硅钢片上的初级线圈和次级线圈， 并固定初级线圈圈数，调根次级线圈圈数，实现阻抗变换；
[0009] 2):根据所需要的阻抗变换范围设定阻抗变换器的初级线圏圏数与次级线圈圈 数，根据阻抗变换精度要求次级线圈圈数的调整精度；
[0010] 3):在系统控制单元中采用遗传算法快速搜索发射端与接收端的最佳匹配状态。
【发明内容】
[0011] 为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种基于电磁感应的自适应 阻抗匹配电路设计与方法，以实现在电动汽车无线充电系统中的自适应阻抗匹配，满足系 统的通用性要求。针对上述技术问题，本方案的具体解决途径包括：
[0012] 1):设计自适应阻抗匹配单元，其由核心结构为初级和次级线圈绕制在磁芯上制 成的阻抗变换器所组成。为降低能量辐射损耗和节约成本，其磁芯结构由硅钢片制成。初级 线圈的圈数为nl = 100圈，次级线圈圈数n2通过电开关调谐方式实现圈数可调。初级线圈 输入端为信号源，其源阻抗通常为RSource = 500hm，负载阻抗通常也为RLoad = 500hm，而 当系统工作频率保持在13. 56Mhz，系统间距调整时，其输入阻抗与输出阻抗Rin与Rout的 变化范围通常为lO-lOOOOhm，并且，系统的传输效率随Rin与Rout的变化较缓慢，因此，仅 需要阻抗变换的精度达到IOOhm即可满足要求。通过阻抗变换，变换器输入端阻抗R1(R1 = RSource或RLoad)与输出端阻抗R2关系为R2 = Rl* (n2/nl) *2,为满足相应的阻抗变换精 度，次级线圈圈数的可调精度为Δη2 = 2圈，次级级圏的最大阶数为447圈，对应lOOOOhm， 可变换的最小阻抗为IOOhm,，对应45圈，在45与447圈之间以精度Δη2 = 2圈可调。
[0013] 2):采用遗传算法对发射端与接收端的自适应阻抗匹配器件的次级线圈圈数扫描 和控制，快速实现发射端与接收端的阻抗匹配。假设负载端已经匹配，则当发射端阻抗匹配 器件独立完成发射端阻抗匹配时，将改变接收端的Rout，于是负载端需再次进行阻抗匹配； 当负载端第二次匹配后，其又改变了发射端的Rout，如此循环多次方可使得稳定。可见其效 率低下。本发明采用遗传算法（Genetic Algorithm，一种根据生物进化遗传原理得到优化 算法）对发射端与接收端的阻抗变换器的次级线圈圈数进行调整和优化，当发射端与接收 端均达到最需要的匹配程度时，则认为发射端与负载端均匹配。