楊儒龍，劉述喜，李科娜，賀國東旭

（重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，重慶 400054）

現(xiàn)在全國正大力發(fā)展新能源汽車，在公共巴士、出租車、郵政物流車、警車等領(lǐng)域，國家都發(fā)布過相關(guān)新能源汽車推廣方案。最近，國家又發(fā)布了新的政策，將逐步擴大新能源汽車在公務(wù)用車領(lǐng)域的配備比例。電動汽車不以傳統(tǒng)的石油和天然氣為動力，綠色環(huán)保，能滿足人們出行的需要。在未來的城市交通發(fā)展中，電動汽車必定會得到大力推廣，電動汽車能隨時快速充電成為人們的一種迫切需要。目前，電動汽車的主要充電方式是接觸式充電，這種充電方式受環(huán)境影響較大，充電時間長，還可能會產(chǎn)生觸電的危險，而無線充電技術(shù)可以彌補以上不足。對于電動汽車而言，無線充電沒有電纜的接觸損耗，沒有機械磨損，可以大大增加設(shè)備的使用壽命［1-2］。若將無線充電裝置布置在住宅、停車場等場所，電動汽車將可以隨時隨地充電，這樣可以大幅度減少電動汽車所配備的充電電池，從而降低電動汽車的運行成本。

本文通過對電動汽車無線充電系統(tǒng)的研究，提出一種基于磁耦合諧振式的電動汽車無線充電的設(shè)計方案，通過分析電動汽車無線電能傳輸?shù)南嚓P(guān)原理［3］，設(shè)計了一種改進型的ZCT-PWM斬波電路，由此減小了充電系統(tǒng)的開關(guān)損耗［4-7］。電動汽車使用DSP控制系統(tǒng)，采用TMS320F2812芯片為主控制芯片，并完成了電動汽車相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計。最后通過對20 kW／70 kHz無線電動汽車進行充電實驗，其實驗結(jié)果驗證了所設(shè)計方案的合理性和正確性。

1 無線充電系統(tǒng)

無線充電系統(tǒng)是新能源電動汽車的重要組成部分。充電系統(tǒng)要求能滿足大功率輸出且具有較高的輸出效率。磁耦合諧振式無線充電裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，充電系統(tǒng)的整體裝置基本可分為4個部分：發(fā)射側(cè)電源變換電路、電能傳輸電路、接收側(cè)電源變換電路、輔助控制保護電路。

圖1 磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)射側(cè)電源變換電路通過電網(wǎng)獲得能量，將輸入系統(tǒng)的380 V交流電經(jīng)整流、斬波、逆變成高頻交流電，通過發(fā)射線圈形成一個電能傳輸磁場，將電能轉(zhuǎn)化為電磁場能量，然后通過接收線圈接收磁場能，重新轉(zhuǎn)化為電能。接收線圈接收到的電能經(jīng)整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電給電池組充電，直到整個充電工作完成。控制保護電路主要是實現(xiàn)對系統(tǒng)頻率、開關(guān)管驅(qū)動信號、充電狀態(tài)等的控制。

1.1 傳輸線圈模型分析

無線充電電動汽車的接收線圈和發(fā)射線圈一般是由相匹配的諧振線圈組成，發(fā)射端和接收端分別形成交變磁場進行能量的轉(zhuǎn)換。由于電動汽車無線充電傳輸距離要求相對較遠而且需要較高的傳輸效率，在各種線圈模型中，圓柱型螺旋線圈相對于其他形狀更為適合高效率的傳輸，線圈的等效結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳輸線圈等效模型

其中原邊和副邊的等效阻抗為：

由式 （1）、式 （2）和式 （3）可得原邊和副邊電流為：

由于發(fā)射線圈和接收線圈是材質(zhì)相同的對稱圈，因此，L1=L2，R1=R2。當(dāng)線圈發(fā)生諧振時可得：由以上各式可得電源功率與負載功率為：

由式 （7）和式 （8）可得無線充電系統(tǒng)的傳輸效率為：

因此，在能量的傳輸過程中，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈同時發(fā)生諧振時，系統(tǒng)的功率和效率才最大。

1.2 軟開關(guān)斬波器原理

為了降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)高頻、大功率調(diào)節(jié)，本文采用一種改進型的ZCT－PWM軟開關(guān)斬波器進行功率調(diào)節(jié)，使得斬波器的開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，其等效電路如圖3所示，其中R表示負載的等效電阻。斬波器的工作過程和工作時序圖如圖4和圖5所示。

圖3 改進型ZCT-PWM斬波器

t0～t1階段：二極管D導(dǎo)通，VT1電流逐漸增大，實現(xiàn)零電流導(dǎo)通。

t1～t2階段：電感L2和二極管D中電流減小到0，此時，VD2導(dǎo)通，對諧振電容C1進行充電。

經(jīng)過長時間的使用后，往復(fù)式真空泵氣閥中的彈簧性能就會逐漸下降，從而會發(fā)生漏氣、閉合不嚴等現(xiàn)象，增加其自身的溫度。結(jié)合實際情況能夠發(fā)現(xiàn)，通常為氣閥所配備的彈簧件質(zhì)量不佳，而氣閥超溫基本上集中在中間位置，而該位置處沒有冷卻水，所以溫度就會居高不下，加之彈簧不具有耐高溫的性能，因此，影響整個氣閥的實際運行。

t2～t3階段：諧振結(jié)束，電路作為一降壓斬波器進行工作，其工作時間由PWM驅(qū)動信號所控制。

t3～t4階段：在t3時刻VT2導(dǎo)通，L2和C1再次發(fā)生諧振。由于L2的電流不能突變，VT2實現(xiàn)零電流開通，L2中電流逐漸增大，t4時刻達到I0，VT1電流減小至0。

t4～t5階段：t4時刻L2輸出電流上升至I2，VT1電流降至0，二極管VD1導(dǎo)通，L2和C1繼續(xù)發(fā)生諧振，流過L2的電流先繼續(xù)增大至峰值后，開始逐步減小，t5時刻下降至I0，同時VD1關(guān)斷，VT1實現(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷。

t5～t6階段：從t5時刻至t6，C1逐步放電直到端電壓為0。

t6～t7階段：t6時刻C1放電結(jié)束，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，此時，L2電流等于輸出電流I0，VT2無電流通過實現(xiàn)零電流關(guān)斷，至此整個工作周期結(jié)束，等待下個周期的PWM脈沖信號。

2 DSP電路設(shè)計

2.1 DSP控制系統(tǒng)

圖4 軟開關(guān)斬波器工作過程圖

圖5 軟開關(guān)斬波器工作時序圖

電動汽車控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是通過模擬電路實現(xiàn)，但是模擬控制電路容易受干擾，且難以實現(xiàn)遠程控制。因此，本文使用DSP設(shè)計控制系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，使得控制更加簡便。

無線充電系統(tǒng)的DSP硬件電路如圖6所示，主要包括故障保護電路、直流電壓和電流采樣電路、驅(qū)動信號電路等。

電流和電壓互感器檢測到的電壓、電流信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將信號送入DSP中的AD口，將采樣值與給定值相比較。當(dāng)超過相應(yīng)給定值時，系統(tǒng)會報故障，封鎖PWM脈沖信號，同時發(fā)出中斷信號，調(diào)用DSP保護程序。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電路設(shè)計

本文采用TPS70151芯片為DSP主芯片提供所需的3.3 V和1.8 V的工作電壓以及DSP所需的復(fù)位信號。在設(shè)計采樣電路時，添加了限幅電路，這樣能更好地保護芯片。圖7為DSP供電能源電路。

同時，在電路中添加負載過零檢測電路 （圖8），能減小開關(guān)器件在電路導(dǎo)通和關(guān)斷時產(chǎn)生的浪涌電流，從而減小對開關(guān)器件沖擊，降低開關(guān)損耗。

圖7 DSP供電能源電路

圖8 負載過零檢測電路

無線充電電源的功率調(diào)節(jié)是通過斬波調(diào)功實現(xiàn)的，采樣電路如圖9和圖11所示。斬波輸出電壓采樣電路使用CHV-25P／400型電壓傳感器，其原副邊匝數(shù)比為2 500∶1 000。所用采樣電壓Up=500 V，其額定輸入電流Ip=10 mA，可計算出采樣電阻R17=500 V。

電動汽車無線充電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，為了保護設(shè)備不損壞，必須設(shè)計相關(guān)的保護電路，其電路如圖10所示。其保護電路的原理為：信號采樣電路采集相關(guān)故障信號，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，產(chǎn)生相應(yīng)的故障信號，信號經(jīng)濾波、限幅等處理后，產(chǎn)生低電平信號送入DSP，DSP停止產(chǎn)生PWM信號。若系統(tǒng)的故障無法切斷，則產(chǎn)生信號，使接觸器跳閘，切斷主電路。

圖9 斬波輸出電壓采樣電路

圖10 直流母線保護電路

圖11 斬波輸出電流采樣電路

3 實驗驗證

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的正確性，現(xiàn)對一臺20 kW／70 kHz的電動汽車無線充電電源進行充電實驗。

斬波電路主副開關(guān)管的驅(qū)動波形如圖12所示。系統(tǒng)的發(fā)射線圈和接收線圈的電流和電壓波形如圖13所示。從圖13中可以看出，發(fā)射端和接收端的輸出電流近似為正弦波，這說明系統(tǒng)的電能傳輸品質(zhì)良好。

圖12 斬波器開關(guān)管驅(qū)動波形

圖13 傳輸線圈電壓和電流波形

電動汽車無線充電系統(tǒng)的輸出電壓和輸出電流波形如圖14所示。在充電過程中，充電電流和電壓逐步上升，最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

圖14 輸出電壓和電流波形

本文通過對電動汽車無線充電系統(tǒng)研究，分析了電動汽車電能傳輸原理。在DC-DC斬波電路中引入了軟開關(guān)控制策略，從而降低了開關(guān)損耗。同時，對無線充電系統(tǒng)設(shè)計了DSP控制回路，代替了傳統(tǒng)的模擬電路控制系統(tǒng)，使得充電系統(tǒng)在控制方面更簡便，更具有抗干擾性。最后，對所設(shè)計方案進行了實驗驗證。其實驗結(jié)果表明了設(shè)計方案的正確性和有效性。