電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的研究

楊儒龍，劉述喜，李科娜，賀國(guó)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(guó)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(guó)家都發(fā)布過(guò)相關(guān)新能源汽車推廣方案。最近，國(guó)家又發(fā)布了新的政策，將逐步擴(kuò)大新能源汽車在公務(wù)用車領(lǐng)域的配備比例。電動(dòng)汽車不以傳統(tǒng)的石油和天然氣為動(dòng)力，綠色環(huán)保，能滿足人們出行的需要。在未來(lái)的城市交通發(fā)展中，電動(dòng)汽車必定會(huì)得到大力推廣，電動(dòng)汽車能隨時(shí)快速充電成為人們的一種迫切需要。目前，電動(dòng)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(shí)間長(zhǎng)，還可能會(huì)產(chǎn)生觸電的危險(xiǎn)，而無(wú)線充電技術(shù)可以彌補(bǔ)以上不足。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，無(wú)線充電沒(méi)有電纜的接觸損耗，沒(méi)有機(jī)械磨損，可以大大增加設(shè)備的使用壽命［1-2］。若將無(wú)線充電裝置布置在住宅、停車場(chǎng)等場(chǎng)所，電動(dòng)汽車將可以隨時(shí)隨地充電，這樣可以大幅度減少電動(dòng)汽車所配備的充電電池，從而降低電動(dòng)汽車的運(yùn)行成本。

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的研究，提出一種基于磁耦合諧振式的電動(dòng)汽車無(wú)線充電的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)分析電動(dòng)汽車無(wú)線電能傳輸?shù)南嚓P(guān)原理［3］，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)型的ZCT-PWM斬波電路，由此減小了充電系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗［4-7］。電動(dòng)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(dòng)汽車相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最后通過(guò)對(duì)20 kW／70 kHz無(wú)線電動(dòng)汽車進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的合理性和正確性。

1 無(wú)線充電系統(tǒng)

無(wú)線充電系統(tǒng)是新能源電動(dòng)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(wú)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(gè)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(hù)電路。

圖1 磁耦合諧振式無(wú)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(guò)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(guò)發(fā)射線圈形成一個(gè)電能傳輸磁場(chǎng)，將電能轉(zhuǎn)化為電磁場(chǎng)能量，然后通過(guò)接收線圈接收磁場(chǎng)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(gè)充電工作完成。控制保護(hù)電路主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率、開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)、充電狀態(tài)等的控制。

1.1 傳輸線圈模型分析

無(wú)線充電電動(dòng)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(chǎng)進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換。由于電動(dòng)汽車無(wú)線充電傳輸距離要求相對(duì)較遠(yuǎn)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(duì)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(duì)稱圈，因此，L1=L2，R1=R2。當(dāng)線圈發(fā)生諧振時(shí)可得：由以上各式可得電源功率與負(fù)載功率為：

由式 （7）和式 （8）可得無(wú)線充電系統(tǒng)的傳輸效率為：

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

1.2 軟開(kāi)關(guān)斬波器原理

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

圖3 改進(jìn)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(shí)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(shí)，VD2導(dǎo)通，對(duì)諧振電容C1進(jìn)行充電。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后，往復(fù)式真空泵氣閥中的彈簧性能就會(huì)逐漸下降，從而會(huì)發(fā)生漏氣、閉合不嚴(yán)等現(xiàn)象，增加其自身的溫度。結(jié)合實(shí)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(méi)有冷卻水，所以溫度就會(huì)居高不下，加之彈簧不具有耐高溫的性能，因此，影響整個(gè)氣閥的實(shí)際運(yùn)行。

t2～t3階段：諧振結(jié)束，電路作為一降壓斬波器進(jìn)行工作，其工作時(shí)間由PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)所控制。

t3～t4階段：在t3時(shí)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(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，L2中電流逐漸增大，t4時(shí)刻達(dá)到I0，VT1電流減小至0。

t4～t5階段：t4時(shí)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(guò)L2的電流先繼續(xù)增大至峰值后，開(kāi)始逐步減小，t5時(shí)刻下降至I0，同時(shí)VD1關(guān)斷，VT1實(shí)現(xiàn)零電壓零電流關(guān)斷。

t5～t6階段：從t5時(shí)刻至t6，C1逐步放電直到端電壓為0。

t6～t7階段：t6時(shí)刻C1放電結(jié)束，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，此時(shí)，L2電流等于輸出電流I0，VT2無(wú)電流通過(guò)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，至此整個(gè)工作周期結(jié)束，等待下個(gè)周期的PWM脈沖信號(hào)。

2 DSP電路設(shè)計(jì)

2.1 DSP控制系統(tǒng)

圖4 軟開(kāi)關(guān)斬波器工作過(guò)程圖

圖5 軟開(kāi)關(guān)斬波器工作時(shí)序圖

電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)，但是模擬控制電路容易受干擾，且難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。因此，本文使用DSP設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)，使得控制更加簡(jiǎn)便。

無(wú)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(hù)電路、直流電壓和電流采樣電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路等。

電流和電壓互感器檢測(cè)到的電壓、電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)送入DSP中的AD口，將采樣值與給定值相比較。當(dāng)超過(guò)相應(yīng)給定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)故障，封鎖PWM脈沖信號(hào)，同時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，調(diào)用DSP保護(hù)程序。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

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(hào)。在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)，添加了限幅電路，這樣能更好地保護(hù)芯片。圖7為DSP供電能源電路。

同時(shí)，在電路中添加負(fù)載過(guò)零檢測(cè)電路 （圖8），能減小開(kāi)關(guān)器件在電路導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流，從而減小對(duì)開(kāi)關(guān)器件沖擊，降低開(kāi)關(guān)損耗。

圖7 DSP供電能源電路

圖8 負(fù)載過(guò)零檢測(cè)電路

無(wú)線充電電源的功率調(diào)節(jié)是通過(guò)斬波調(diào)功實(shí)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(jì)算出采樣電阻R17=500 V。

電動(dòng)汽車無(wú)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(shí)，為了保護(hù)設(shè)備不損壞，必須設(shè)計(jì)相關(guān)的保護(hù)電路，其電路如圖10所示。其保護(hù)電路的原理為：信號(hào)采樣電路采集相關(guān)故障信號(hào)，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的故障信號(hào)，信號(hào)經(jīng)濾波、限幅等處理后，產(chǎn)生低電平信號(hào)送入DSP，DSP停止產(chǎn)生PWM信號(hào)。若系統(tǒng)的故障無(wú)法切斷，則產(chǎn)生信號(hào)，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(hù)電路

圖11 斬波輸出電流采樣電路

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的正確性，現(xiàn)對(duì)一臺(tái)20 kW／70 kHz的電動(dòng)汽車無(wú)線充電電源進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。

斬波電路主副開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)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(shuō)明系統(tǒng)的電能傳輸品質(zhì)良好。

圖12 斬波器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形

圖13 傳輸線圈電壓和電流波形

電動(dòng)汽車無(wú)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(guò)程中，充電電流和電壓逐步上升，最終趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

圖14 輸出電壓和電流波形

本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)研究，分析了電動(dòng)汽車電能傳輸原理。在DC-DC斬波電路中引入了軟開(kāi)關(guān)控制策略，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jiǎn)便，更具有抗干擾性。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。