汽車無線充電系統設計

王治森，王安華，孫 飛，閆 銘，石昊達

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

電動汽車利用其無污染和低功耗的特點，逐漸進入了大眾的眼簾。但其充電問題和電池續航問題還沒有得到較好地解決[1]。因此，本文設計了一種基于磁耦合諧振技術的無線充電方案，希望對解決充電困難問題有一定幫助，促進電動汽車的發展[2]。

1 系統設計

1.1 整體方案

無線充電系統可以從市電中獲取電力。電力經過整流、濾波、BUCK降壓以及逆變電路進行DC/AC轉換后傳送到充電線圈。但由于直接傳送會降低功率因數，因此必須安裝PFC模塊以完成功率因數校正[3]。增加第一級DC/DC模塊，即BUCK電路，采集逆變電路輸出端的電流電壓值，將其送至主控芯片與設定值對比后進行PI調節。通過改變BUCK的PWM占空比達到實時調節電壓的作用。逆變后的交流電壓被輸送至磁耦合諧振機構時還需要進行AC/DC變換，即進行同步整流濾波。但考慮到給蓄電池充電需要閉環控制蓄電池的充電電流和充電電壓，而且由于蓄電池充電的特殊性，充電電壓不能出現超調，因此不能用傳統PID控制方法對蓄電池進行充電[4]。在此采用涓流→恒流→恒壓的三段式充電方法對蓄電池進行充電。系統結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

1.2 主要參數計算

在本設計中，由PFC輸入到BUCK電路的電壓約為380 V DC，選取BUCK降壓電路的最小占空比為：

式中，Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓；D為占空比。調整BUCK電路的功率時，電壓通常在一定范圍波動。以計算額定輸出電壓為220 V為例，其輸出功率為200 W，此時計算BUCK輸出端的等效負載R為242 Ω，則對于BUCK降壓電路中的臨界電感為：

式中，fsw為開關頻率，取62.5 kHz。

在最低輸入電壓峰值時升壓電感的最大電流紋波為：

式中，VINoff為欠壓關閉電壓，LPFC為升壓電感，取ΔIL=7.2095。

可得PFC升壓電感為：

PFC電容的計算如下：

實際電路中需要流出裕量，考慮到交流線電壓頻率的/2個周期[5]，假定最低頻率33 Hz下/2個周期時間tHOLD=15 ms，電路輸出功率pout為500W，允許的電壓最小輸出值Vout-min=300 V，則電容Cout為：

2 仿真分析

2.1 BUCK仿真

BUCK的作用是實現恒功率控制。設置BUCK輸入電壓為380 V DC，考慮到系統輸出功率的可調過程，電感取200μH，以保持電感電流處于非導通狀態。考慮到諧振部分需要部分電容，因此電容取5μF，負載電阻為100Ω。仿真模型如圖2所示，仿真結果如圖3所示。

圖2 BUCK仿真

圖3 BUCK輸出電壓與電流波形

2.2 逆變電路仿真

系統的高頻逆變器電路使用全橋逆變器電路將BUCK的DC電壓轉換為系統所需的AC電壓，給定輸入電壓為BUCK輸出的220 V，全橋逆變的Simulink仿真如圖4所示，結果如圖5所示。

圖4 全橋逆變仿真圖

圖5 逆變電路輸出波形

3 結 論

根據無線充電原理設計了三段式無線充電系統，計算PFC和BUCK電路的主要參數，通過Simulink軟件對BUCK電路和高頻逆變橋電路進行仿真實驗，證明方案合理可行，可以應用于工程實際。