高效率非接觸式電能傳輸系統用於電動車電池充電

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1 高效率非接觸式電能傳輸系統用於電動車電池充電
2019/1/2 高效率非接觸式電能傳輸系統用於電動車電池充電 High-Efficiency Contactless Power Transfer System for Electric Vehicle Battery Charging Application 指導教授：蔡明村 博士 研 究 生：江銘棟 2019/1/2

2 2019/1/2 大綱 摘要 簡介 系統架構 諧振架構設計 實驗波形 結論 參考資料 2019/1/2

3 2019/1/2 摘要 本文提出非接觸式充電系統用於電動車電池，系統可以分為三個部分； 第一部分為全橋轉換器，第二部分為鬆耦合線圈，第三部分為二極体橋 式整流。 2. 補償電容有四種架構，SS、SP、PS、PP，其中S表示串聯，P表示並聯； 本文實驗測試採用SS拓樸。 3. 經過精準設計補償電容值可以使一次側全橋轉換器開關皆操作在零電壓 。 4. 切換頻率為186kHz~191.5kHz，輸出功率4KW，最大效率98%和96%，分別 在空氣間距為4公分和8公分時。 2019/1/2

4 2019/1/2 簡介 1. 無線充電技術早期受到開關元件的限制，一開始由於元件技術尚未突破，頻率只能切換在幾百赫茲[1]，效率較差，而現在，因為元件技術的進步使得切換頻率上升，效率提高，漸漸的無線充電開始受到關注。甚至開始嘗試使用IGBT作為開關元件。但是，不論開關元件是用MOSFET或IGBT，整體效率通常低於90%[2]~[7]。 2. 無線充電線圈中間有一段空氣間距，所以耦合係數通常不高大約0.1到0.5左右，表示漏感高，所以一次側能量傳遞到二次側的損失較大，為了解決這個問題我們加入電容器來進行補償[8]~[10]。 (1) (2) (3) (4) (s-s) (s-p) (p-s) (p-p) 2019/1/2

5 簡介 3. 本文採用s-s拓樸，變頻式電動車電池充電系統，透過分析諧振電路來改善效率，精準的設計諧振電容，使其操作在電感性區間，確保一次側開關全部都能零電壓切換。所提出的系統在實際電動車的測試下，證明了整個充電過程，包含在無線通訊下，定電流(CC)，定電壓(CV)的測試，此系統輸出功率為4kw，效率為98%和96.6%，分別在間距4公分和8公分的時候。 2019/1/2

6 非接觸式充電系統架構 由全橋轉換器、耦合線圈、補償電容、橋式整流所組成。 圖1為非接觸式充電系統主架構圖 2019/1/2

7 補償電容設計 先設計一次側線圈和二次側線圈的自感，並自訂諧振頻率，藉由以下公式可以求出補償電容值。 一次側、二次側品質因素Q可由下式表示：
(1) 一次側、二次側品質因素Q可由下式表示： (2) 2019/1/2

8 圖為(a)耦合電感等效電路(b)T型等效電路
SS拓樸等效電路 (a) (b) (3) 圖為(a)耦合電感等效電路(b)T型等效電路 2019/1/2

9 全橋轉換器輸入端為Pin，橋式整流器的輸出端Pout，可以計算補償架構的效率ηT ，我們可以導出公式(6)
(4) (5) (6) 2019/1/2

10 參數表 根據公式(6)自定出下表，我們可以討論負載電阻RL、互感M、諧振電容Cp、Cs、和操作頻率fs的變動下，利用模擬來分析各種差別。 。
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11 模擬曲線(1) 左圖為在耦合係數0.25、輸出電壓都在400v、操作頻率皆在167.8kHz的情況下，模擬不同負載的效率、總阻抗相角、輸出功率來做比較。 2019/1/2

12 模擬曲線(2) 左圖為在負載電阻40歐姆、耦合係數0.25、輸出功率在4kW的情況下，改變不同的諧振電容值所模擬出來的曲線圖

13 模擬曲線(3) 左圖為在固定負載下，改變耦合係數模擬出來的曲線圖。
如要維持輸出功率4kw的情況下，當耦合係數變大，頻率也會跟著上升，效率也會提高。 最下面一張圖可以看到有一條分叉曲線，通常出現在重載或是高耦合係數下發生。 2019/1/2

14 通常，線圈直徑越大耦合係數會越高，但考慮要裝置在電動車上，空間有限，所以我們線圈的大小必須有所限制，本文線圈設計直徑為23
通常，線圈直徑越大耦合係數會越高，但考慮要裝置在電動車上，空間有限，所以我們線圈的大小必須有所限制，本文線圈設計直徑為23.5公分，耦合係數為0.25，一次側與二次側線圈皆繞28圈，且有加入12條I型鐵芯，Lp與Ls皆為120uH，設計共振頻率在140kHZ，諧振電容選擇10nF。 2019/1/2

15 控制架構 如圖所示使用無線信號通信作為充電系統的閉迴路控制。 2019/1/2

16 DSP流程圖 當控制器在CC模式，電流PI控制器輸出不會飽和，同時，電壓PI控制器趨向於飽和狀態，一旦電壓達到預設值，這時進入CV模式，電壓控制器開始動作，且開始降低輸出電流，一旦進入CV模式後將不再跳回CC模式。 2019/1/2

17 實驗結果 (a) (b) (c) (d) 圖(a)電流參考訊號上升(b)電流參考訊號下降(c)電壓參考訊號上升(d)電壓參考訊號下降 2019/1/2

18 當輸出電壓到達設定電壓200V後將切換為CV模式，此時電流會慢慢下降。
黃色為輸入電壓 Vin 紅色為輸入電流 Iin 綠色為輸出電流 Iout 藍色為輸出電壓 Vout 當輸出電壓到達設定電壓200V後將切換為CV模式，此時電流會慢慢下降。 圖為使用電子式負載所量測的短充電週期 2019/1/2

19 圖為長時間量測家用電動車結果(a)充電電流和電池電壓曲線圖(b)輸出電壓和效率曲線圖
電池初始電壓為158V，在CC模式下維持9.6A充電約2小時，電壓上升到185V，在CV模式下維持185V充電約3個小時，所記錄的點描繪出此圖。 (a) 圖可看出在充電的時候效率皆在90%以上且最大效率為96%，發生在大約1.8kw時。也是在CC和CV轉換瞬間發生最大效率。 (b) 圖為長時間量測家用電動車結果(a)充電電流和電池電壓曲線圖(b)輸出電壓和效率曲線圖 2019/1/2

20 圖(a)頻率和效率的曲線圖(b) 在不同的間距下損失效率長條圖
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21 實際電路圖 2019/1/2

22 結論 1.本文設計出高效率輸出功率達4kw之非接觸式無線充電系統，並詳細說明諧振電路的設計。
2019/1/2 結論 1.本文設計出高效率輸出功率達4kw之非接觸式無線充電系統，並詳細說明諧振電路的設計。 2.當一次側MOSFETs皆達到ZVS，可有效減少傳導損失並提高效率，所提出系統最大效率為98%、96.6%分別是在間距4公分、8公分時量出，此結果可比擬常規插入式電動車電池充電系統。 3.除了使用電子是負載量測結果，本文也嘗試使用在實際電動車電池充電上，確認此系統架構的可行性。 2019/1/2

23 2019/1/2 參考文獻 [1] M. Eghtesadi, “Inductive power transfer to an electric vehicle-analytical model,” in Proc. IEEE 40th Veh. Technol. Conf., May 1990, pp. 100–104. [2] A. W. Green and J. T. Boys, “10 kHz inductively coupled power transferconcept and control,” in Proc. 5th Int. Conf. Power Electron. Variable-Speed Drives, Oct. 1994, pp. 694–699. [3] A. Esser, “Contactless charging and communication for electric vehicles,” IEEE Ind. Appl. Mag., vol. 1, no. 6, pp. 4–11, Nov./Dec [4] D. A. G. Pedder, A. D. Brown, and J. A. Skinner, “A contactless electrical energy transmission system,” IEEE Trans. Ind. Electron.,vol. 46, no. 1, pp. 23–30, Feb [5] O. H. Stielau and G. A. Covic, “Design of loosely coupled inductive power transfer systems,” in Proc. Int. Conf. Power Syst. Technol., vol , pp. 85–90. [6] R. Laouamer, M. Brunello, J. P. Ferrieux, O. Normand, and N. Buchheit,“A multi-resonant converter for non-contact charging with electromagnetic coupling,” in Proc. 23rd Int. Conf. Ind. Electron. Control Instrum.,vol. 2. Nov. 1997, pp. 792–797. [7] K. Kobayashi, N. Yoshida, Y. Kamiya, Y. Daisho, and S. Takahashi,“Development of a non-contact rapid charging inductive power supply system for electric-driven vehicles,” in Proc. IEEE Veh. Power Propuls.Conf., Sep. 2010, pp. 1–6. [8] Y. Su, C. Tang, S.Wu, and Y. Sun, “Research of LCL resonant inverter in wireless power transfer system,” in Proc. Int. Conf. Power Syst. Technol.,Oct. 2006, pp. 1–6. [9] J. Sallan, J. L. Villa, A. Llombart, and J. F. Sanz, “Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle battery charge,” IEEE Trans.Ind. Electron., vol. 56, no. 6, pp. 2140–2149, Jun [10] Z. Pantic, S. Bai, and S. Lukic, “ZCS LCC-compensated resonant inverter for inductive-power-transfer application,” IEEE Trans. Ind.Electron., vol. 58, no. 8, pp. 3500–3510, Aug 2019/1/2

24 2019/1/2 簡報完畢~感謝各位聆聽 2019/1/2