電動汽車高效無線充電控制系統(tǒng)的教學實驗裝置設計

【摘要】本文基于我國“雙碳”戰(zhàn)略分析無線充電系統(tǒng)的電源與負載存在的問題，論述磁場耦合的無線充電系統(tǒng)的四種基本結構類型，提出主電路參數(shù)、雙路電流負反饋控制器、DSP控制器的軟件系統(tǒng)等優(yōu)化設計思路，為中職學校汽車新能源專業(yè)的教學提供了新的路徑。

【關鍵詞】電動汽車 汽車新能源專業(yè) 高效無線充電 教學實驗裝置 優(yōu)化設計

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）08-0134-05

我國“雙碳”戰(zhàn)略的提出，使得電動汽車得到廣泛使用。電動汽車的推廣需要充電站等大量配套設施，不僅占地面積大，而且存在導線直接連接產生的絕緣可靠性低、接頭變形老化、接觸間隙產生電火花等問題，安全隱患很大。隨著無線電能傳輸技術的發(fā)展，無線充電在電動汽車領域的應用是當前的熱門研究課題。無線充電系統(tǒng)的電源與負載是基于電磁能，這樣可以解決因導線直接連接而產生的安全隱患，具有結構簡單、成本低、方便安全等優(yōu)點。

目前，市場上主要使用的無線充電系統(tǒng)是磁場耦合無線充電系統(tǒng)，其主要有S-S，S-P，P-S，P-P四種基本結構類型，還包括一些高階補償結構。在這四種基本結構中，S-S型系統(tǒng)具有結構簡單、成本低，效率高、輸出恒流等特點，但這一系統(tǒng)的主電路參數(shù)計算尚無較好的方法，當參數(shù)選擇不合理時，會顯著降低傳送效率。另外，由于這一系統(tǒng)只是以充電電壓和電流作為反饋控制信號，當停車位置不準時就會出現(xiàn)發(fā)送端（地面）的發(fā)送線圈和接收端（車內）的接收線圈耦合系數(shù)過度降低的現(xiàn)象，導致發(fā)送線圈電流急劇增大、功率開關管過流燒毀的問題。采用高階補償結構可以避免這一系統(tǒng)存在的發(fā)送線圈過流問題，但高階補償結構的無線充電系統(tǒng)需要增加電感器數(shù)量，這無疑會加大充電系統(tǒng)的體積，增加成本，同時電感內阻消耗較多的有功功率，這也會導致充電系統(tǒng)傳輸效率的降低。

針對上述問題，同時結合中職新能源汽車專業(yè)教學需求，筆者提出了一種基于DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號處理）的高效S-S型磁場耦合無線充電控制系統(tǒng)，并就其教學實驗裝置設計進行分類講解，以便于專業(yè)學生學習。這一新型無線充電控制系統(tǒng)通過推導主電路參數(shù)約束條件，對主電路參數(shù)進行優(yōu)化，同時引入互相獨立的雙路負反饋，在發(fā)送端引入發(fā)送線圈電流負反饋，從而限制發(fā)送線圈電流的最大值，有效解決了S-S型無線充電系統(tǒng)存在的問題。以下，筆者主要闡述高效S-S型磁場耦合無線充電控制系統(tǒng)的教學實驗裝置設計方法，并就設計方案進行了測評。

一、關于主電路參數(shù)的優(yōu)化設計

二、基于DSP的雙路電流負反饋控制器的設計

電動汽車無線充電系統(tǒng)在實際運用中有兩個不可忽視的問題，一是由于每次的停車位置不可能完全相同，導致發(fā)送端繞組和接收端繞組的耦合系數(shù)K有較大變化；二是在充電過程中蓄電池電壓會有較大的變化，導致系統(tǒng)的等效負載電阻RL也會隨之變化。由前文（5）式和（6）式可知，當K和RL兩個參數(shù)都在變化時，由發(fā)送端的電流（I1）和電壓（U1）并不能確定接收端的電流（I2）；反之，由接收端的電流（I2）和電壓（U2）也不能確定發(fā)送端的電流（I1）。所以，在電動汽車無線充電系統(tǒng)中必須同時采用互相獨立的雙路電流負反饋控制：一個是接收端的充電電流調節(jié)器，用于控制蓄電池的充電電流；另一個是發(fā)送端的發(fā)送線圈電流調節(jié)器，用于在系統(tǒng)故障或耦合系數(shù)變小時，限制發(fā)送線圈的電流。兩個調節(jié)器的輸出移相控制角為[θ1]、[θ2]，取最小函數(shù)的最小值作為逆變移相控制。按照上述思路設計的電動汽車無線充電系統(tǒng)如下頁圖2所示。

（一）接收端充電電流調節(jié)器的設計

（二）發(fā)送線圈電流調節(jié)器的設計

三、DSP控制器的軟件系統(tǒng)設計

DSP控制程序是在CCS集成開發(fā)環(huán)境下，使用匯編語言編寫，TMS320F28335的CPU長度為32位，工作頻率為200 mHz，滿足了控制器對速度的要求。

（一）DSP主程序設計

（二）DSP模數(shù)轉換中斷服務程序設計

發(fā)送端發(fā)送線圈電流調節(jié)器的控制頻率為80 kHz，對響應速度要求高，主要采用中斷方式工作。在TMS320F28335ADC模塊中，有16個ADC結果寄存器，發(fā)送線圈電流的采樣頻率為1 280 kHz，每采樣16個點就申請一次中斷。在中斷程序過程中，完成對主回路的移相控制，中斷服務程序的流程如圖7所示。

四、系統(tǒng)測試

為了驗證電動汽車無線充電系統(tǒng)優(yōu)化設計方案的有效性，筆者搭建了一個實驗測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流電源、電壓型高頻逆變器、耦合電感、發(fā)送端和接收端諧振網絡、驅動電路、控制電路等組成，實驗系統(tǒng)實物圖如圖8所示。當正常工作時，接收端折算到發(fā)送端的阻抗較大，這時接收端充電電流調節(jié)器起作用，使得逆變器移相角大、輸出電壓變大，發(fā)送端電流正常，逆變器輸出電壓和發(fā)送線圈電流的波形如圖9所示。當出現(xiàn)異常情況時，逆變器的輸出電壓和發(fā)送線圈電流波形如圖10所示。當發(fā)送線圈和接收線圈距離過大或者接收端充電回路開路時，接收端折算到發(fā)送端的阻抗為零，發(fā)送線圈電流增大，此時發(fā)送線圈電流調節(jié)器起作用，控制器輸出的移相角減小，逆變器輸出電壓減小，限制了電流的增加。通過多次反復測試，實測數(shù)據(jù)表明電動汽車無線充電控制教學實驗裝置經過參數(shù)優(yōu)化后，傳送功率可達2.4 kW，能量傳輸效率在91%以上。

綜上所述，筆者基于DSP設計的電動汽車無線充電系統(tǒng)，主要是依據(jù)S-S型磁場耦合無線充電系統(tǒng)的數(shù)學模型，推導出主電路參數(shù)的約束條件，然后提出電路參數(shù)優(yōu)化設計方法。新的系統(tǒng)可減小發(fā)送線圈的電流，降低功率開關管的電壓應力，提高系統(tǒng)功率傳輸效率；同時在接收端和發(fā)送端設計了互相獨立的雙路負反饋控制，使得這一系統(tǒng)具有結構簡單、成本低、傳輸功率大、效率高、安全等優(yōu)點。提出這樣的設計思路，有利于優(yōu)化中職新能源汽車專業(yè)的教學內容，提高專業(yè)學生適應市場發(fā)展的能力。

參考文獻

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作者簡介：侯捷（1988— ），廣西南寧人，講師，主要研究方向為汽車新能源專業(yè)教學。

（責編 蒙秀溪）