基于WPT的電動汽車雙向充電器主電路拓撲結構研究

余岳，汪紅霞

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南株洲，412006）

0 引言

國家新能源汽車產業發展規劃，2010~2015年是電動汽車產業化和大規模推廣應用的關鍵5年。相關研究表明，2016年是電動汽車產業化發展的拐點，電動汽車發展進入高速成長期。大量的車輛充電將帶來新一輪的負荷快速增長，以每輛車配置12kWh電池計算，這些電動汽車日充電所用電量約為336萬kWh(按0.8同時率計算)，這對用電負荷峰谷差日益加大的電力系統而言，增加了巨大的發、輸、配電壓力。

與此同時，人類面臨著實現經濟和社會可持續發展的重大挑戰，環境和能源問題已日益成為全球的突出問題之一。如何有效地利用現有能源，已引起了各國學者的廣泛關注。新型的電能存儲和傳輸技術，如飛輪電池、超級電容和無線電能傳輸技術(Wirelss Power Transmission，WPT)等是實現能源高效利用的重要途徑。WPT在電動汽車、航空航天、電力系統、新能源發電、醫療儀器、照明、便攜式通訊設備等領域均有著廣泛的應用前景。隨著材料學、電力電子器件、功率變換和控制技術的發展，WPT的應用已逐步成為現實，受到了越來越多的關注。傳統的電氣設備都是通過插頭或插座等電連接器的接觸進行供電。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導線，很容易產生接觸火花，影響供電的安全和可靠性，縮短電氣設備的使用壽命。同時，差的電氣接觸連接會增加接觸電阻，造成高溫引起火災，電氣開關還會引起拉弧的危險。

本文旨在將WPT應用于現有的雙向開關型AC/DC變換器，構建適用于V2G系統下的電動汽車無線雙向充電裝置，不僅可以減少線纜的使用，防止線路年久失修造成的纏繞、老化，還可以防止雨水侵蝕，防止漏電等安全事故，使V2G系統更加安全、智能便捷，做到電動汽車的隨走隨充、隨停隨饋，實現能源利用效率的最大化。

1 主電路拓撲結構

基于無線電能傳輸的電動汽車雙向充電器中，交流輸入電壓經二極管整流變換成直流電壓直流斬波電路根據輸出負載功率要求控制全橋逆變器輸入端直流電壓，經全橋逆變電路變換成高頻方波電壓輸送給電磁耦合無線電能傳輸發射端，諧振補償電容和發射繞組電感形成發射端諧振回路，通過電磁耦合，在接收端回路諧振補償電容和接收繞組形成電磁共振，接收端的電能經輸出整流變換成直流電壓，提供給電池充電。控制部分分為直流電壓控制和逆變器頻率跟蹤控制兩部分。直流電壓控制采用PWM脈寬調制技術，逆變器頻率跟蹤采用鎖相環電壓電流相位控制技術，當發射端和接收端諧振回路參數變化時，及時改變逆變頻率，保持逆變器輸出電壓和電流的相位穩定在逆變電路允許的最小相位角，功率因數最大。控制電路由電壓電流檢測電路、斬波驅動電路、逆變電流檢測電路、頻率跟蹤和逆變控制電路、逆變驅動電路等組成。

圖1 基于WPT的雙向充電樁主電路拓撲結構

WPT雙向充電器目標功率為500W，因此開關器件考慮使用MOSFET，主電路采用對稱H橋模式。高頻電源是無線電能傳輸系統中必不可少的部分，其性能參數和輸出波形穩定度和失真度將直接影響整個系統的特性。目前無線電能傳輸高頻電源主要有兩種實現方法，一種是利用功放將信號功率進行放大實現，另一種是利用電力電子器件通過全橋逆變或半橋逆變實現；前者信號發生電路實現調頻也很方便，但是設備成本比較高，后者可實現較大功率，受電力電子器件開關頻率的限制，電源頻率一般不會很高，一般在幾百kHz以內，通過對MOSFET開關控制可方便實現頻率調節。由于電動汽車無線充電系統工作頻率在數千赫茲級別，且需要輸出功率大，因此大容量高頻電源采用整流逆變方式。

電源采用交-直-交的變頻結構。220V電源經降壓變壓器和主接觸器后，送入整流器，整流器采用單相相MOSFET全控整流橋，通過MOSFET的導通，達到調節電源輸出功率的目的，整流后的直流電壓經濾波環節送入高頻逆變環節，經由高頻逆變環節逆變產生單相高頻電流送入諧振電路，經能量發射繞組輸出高頻能量。

逆變控制環節主要功能為實現負載頻率自動跟蹤、逆變器啟動、為逆變器功率器件提供可靠的驅動脈沖以及與整流側控制配合，在設備內部或外部出現異常時，通過控制整流橋輸出電壓以確保電源安全。

逆變控制環節從負載取出頻率信號，經過零比較電路獲得自激信號，逆變工作前，由于負載上電壓、電流均為零，因此無法獲得啟動時所需的自激信號，本高頻電源采用他激啟動，逆變環節啟動后，當電源輸出電壓達到一定值時，電平檢測電路輸出翻轉，是電子開關輸出由他激信號轉換成自激信號，從而完成逆變器的啟動。

2 結論

圖1拓撲結構適用于無線電能傳輸，也可以保證能量雙向流動實現V2G或者V2M，是WPT雙向充電器的電路拓撲首選。從工程的角度考慮，可以全橋逆變器既可以選取如圖1所示的IGBT，在小功率等級時，也可以改為MOSFET。

參考文獻

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