新能源汽車無線智能充電裝置設計

宛東

摘 要：基于新能源汽車市場保有量的不斷增加，解決新能源汽車電池充電問題成為新能源汽車發展的關鍵。所以基于智能充電技術的發展，設計無線智能充電裝置成為促進新能源汽車生產技術的關鍵因素。文章在綜合相關研究成果的基礎上，設計新能源汽車無線智能充電裝置，以此提升新能源汽車充電效率。

關鍵詞：新能源汽車;無線智能充電;設計;拓撲結構

0 ? 引言

隨著我國新能源汽車生產技術的不斷完善，新能源汽車市場保有量不斷增加。無線智能充電技術是新能源汽車發展的關鍵因素，是解決新能源汽車充電煩瑣問題的重要途徑。據調查，目前我國無線電能傳輸本身已經成熟，制約新能源汽車智能充電的主要因素是應用場景的匹配問題。例如無線智能充電系統與車輛定位、地面設備與車載設備之間的匹配問題。因此筆者結合相關研究成果，設計新能源汽車無線智能充電裝置，以此提升新能源汽車充電效率。

1 ? 新能源汽車無線智能充電原理

新能源汽車無線智能充電原理就是交流電源經過整流濾波以及高頻逆變后，在發射線圈內產生高頻的交流電流，從而在發射圈附近產生高頻的交變磁場，進而形成感應電流。其具體充電流程是通過地面發射設備與車載裝置之間的匹配完成。例如，當新能源汽車的車載充電設備與地面設備對齊后，無線智能充電系統就會開始運行，實現新能源汽車的自動充電。目前，我國無線智能充電的形式比較多，其主要有電場耦合式、無線電波式等。每種無線智能充電形式都具有對應的優勢，當然其在實踐中也存在一定的劣勢。如電場耦合充電模式由于其傳輸的功率比較小，因此以目前的技術難以在電動汽車中應用。根據調查目前電磁感應式是電動汽車的無線充電技術主要發展趨勢。

隨著新能源汽車的不斷發展，大力發展無線智能充電裝置具有重要的現實意義：首先，基于新能源汽車的主要動力就是電能，但目前我國新能源汽車電池里程短問題成為制約新能源汽車發展的重要因素。而通過發展無線智能充電裝置可以有效解決新能源汽車電池里程短的問題，從而提高新能源汽車的發展速度。其次，無線智能充電裝置具有方便快捷優勢。根據調查目前有線充電裝置在城市發展的速度不快，原因就是其受場地影響，導致新能源汽車的充電極為不方便。而無線智能充電裝置其通過運用無線傳輸系統可以達到占地小、充電便捷的性能。例如新能源汽車只需要在其允許范圍內就可以完成充電，這樣有效解決了城市用地問題。最后，其后期運行成本較低，尤其是故障發生率要低于有線充電。根據調查使用無線智能充電可以有效降低后期的維護費用，尤其是降低了人為破壞的發生率。但相對于傳統的充電裝置模式而言，無線智能充電存在充電率不高的問題，尤其是無法解決快速充電的問題。例如，目前無線充電裝置的功率傳遞大部分在10 kW以下，在電動車輛上無線充電存在慢充等缺陷[1].

2 ? 新能源汽車無線充電裝置的整體設計

2.1 ?電路設計

線路設計是新能源無線充電系統的核心，本文設計的新能源汽車無線智能充電裝置主要是保障輸出功率達到2 W。按照常規有效輸出功率為75%的設計原則，輸入端的功率需要達到2.7 kW，還要選擇功率為4 kW的器件作為相應的配件，主要包括以下幾點。

2.1.1 ?PFC電路設計

根據電路原理可知，新能源汽車無線智能裝置的電源受電壓波動而產生畸形導致功率下降，所以需要對功率因素的校正。具體設計方案是先利用功率因數校正電路實現對功率因素的調整，以此得到穩定的電流;再利用BUCK電路調節電壓，保證輸出功率的恒定[2]。

2.1.2 ?BUCK電路設計

雖然經過上述舉措之后，電路中的電壓和電流相位基本一致，而且通過PFC電路后，電壓的幅值也得到提升，但是無線充電系統的輸出功率與電壓有關。通過在PFC電路中實現了電壓值的調節，但是其還需要完成減少紋波電路的功能，所以在二者同時運行的時候，容易引起無線充電系統出現混亂。因此需要在無線充電通信模式設置BUCK電路，如圖1所示。

通過綜合計算本文BUCK電路的電路臨界電感為199.61UH。可見當BUCK電路啟動時，由于電路比較大，需要在電路系統中通過硬件得以保護，具體就是在輸出電壓中加入控制器，這樣實現對電路電壓的控制。在具體操作上則是將檢測到的BUCK電路輸出的數值與預期設計的數值進行相減，將相減的數值作為無線智能充電電壓控制器的輸入值。

2.1.3 ?高頻逆變電路設計

無線智能充電系統需要將直流電轉化為交流電，所以本設計的關節環節就是設計高頻逆變電路。當前對于高頻逆變電路的處理硬件設備有：（1）自激震蕩式高頻逆變電路。主要是依靠自身震蕩的逆變電路，可以快速地將直流轉變為交流電。但是此種電路所承受的功率比較小，不能適應于新能源汽車。（2）H橋驅動電路。采取四個MOS管組成正反兩個通路，通路的通斷通過施加到MOS管上的PWM信號來控制。

2.2 ?硬件設計

控制器是無線智能充電裝置的主要組成部分，其主要分為控制板設計和驅動板設計。

電源模塊是支撐無線智能充電的重要組成部分，其主要分為12 V供電和5 V供電：第一級電源主要是將310 V的高壓輸入轉化為12 V的低壓直流。為了滿足流通需要，本文主要采取Vl5-27812模塊作為電平轉換芯片，這是因為此種芯片能夠輸入1200 V的電壓，輸出最大電路可以達到1.25 A。第二級電源系統則是將12 V電壓轉化為5 V電壓，因此采取B1205D.2WR2模塊[3]。

2.3 電壓隔離采樣設計

根據計算無線智能充電系統的直流電壓可以達到 ? ? ? ?310 V。較高的電壓必然影響系統的接觸采樣，所以為了保證對電壓的準確計算，需要在無線智能裝置找那個設置具有隔離功能的AD采樣芯片，這樣可以實現對整個直流電壓的采樣處理。由于直流電壓具有不穩定性，這樣會影響無線智能充電系統的運行效果，尤其是電壓的波動會影響無線智能充電系統，甚至導致某些元件出現損傷，因此本文設計以下電路（由590 KQ，10 KQ和200Q的電阻串聯），具體如圖2所示。

3 ? 仿真實驗

3.1 ?PFC仿真模型建立與結果分析

為了檢驗無線智能充電裝置的性能，采取BOOST電路進行互補輸出檢驗PEC，通過實驗得出以下結論：無線智能裝置加入PEC電路后，電壓及電流相位相同，尤其是功率因數得到提升，因此表明PEC起到了功率因數校正的作用。

3.2 ?BUCK仿真模型建立與結果分析

BUCK電路主要目標就是實現恒功率的控制，通過計算可以看出，BUCK電路的輸出電壓穩定在期望的電壓值處。

總之，通過仿真實驗，硬件電路的每個模塊均實現了預期的功能，整個系統較好地實現了預期效果。但是電動汽車的無線充電技術諸等輔助功能：一方面在功能實現還沒有形成技術路線的共識;另一方面這些功能涉及人體和整車的安全，其測試要求更加嚴格，在針對這些方面的測試方法還存在一些困難需要克服。

[參考文獻]

[1]溫超.新能源汽車磁耦合共振式無線充電系統研究[D].青島：青島大學，2017.

[2]范祖良.新能源汽車電池無線充電功率控制系統設計[J].科技創新與應用，2020（8）：73-74

[3]侯明心，焦欣宇，朱向冰.新能源汽車磁場共振式無線充電發展綜述[J].信息化研究，2020（2）：37-42.

（編輯 姚 鑫）