電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

作者 焦來(lái)磊1 荊蕾2 1.中惠創(chuàng)智無(wú)線供電技術(shù)有限公司(山東 煙臺(tái) 264000)2.煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院信息工程系(山東 煙臺(tái) 264000)

摘要：本文提出了一種基于磁耦合諧振的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。首先介紹了磁耦合諧振式無(wú)線充電技術(shù)的傳輸機(jī)理;其次提出系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、DC-DC斬波電路和單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)方法;再次，設(shè)計(jì)了三段式電池充電管理系統(tǒng);最后完成以ARM單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有優(yōu)異的充電性能和廣泛的可推廣性。

引言

　　自從2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的Marin Soljacic教授等人利用磁耦合諧振技術(shù)成功地在2m外點(diǎn)亮一只60W的燈泡[1-2]，無(wú)線電能傳輸技術(shù)(wireless power transfer，WPT)開(kāi)始得到世界研究機(jī)構(gòu)越來(lái)越多的關(guān)注。

　　目前，WPT技術(shù)主要有3種，即電磁輻射式、電磁感應(yīng)式和磁耦合諧振式。輻射式無(wú)線電能傳輸^[3]利用遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)行傳輸，其傳輸距離遠(yuǎn)大于傳輸裝置的幾何尺寸，但是其定向性較差，且傳輸功率一般比較小。電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸機(jī)理^[4]類似于可分離變壓器，只有在較短的距離下才能實(shí)現(xiàn)較大功率和較高效率的傳輸。而磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸(magnetically-coupled resonant wireless power transfer，MCR-WPT)利用諧振原理，使其在中等距離傳輸時(shí)，仍能得到較高的效率和較大的功率，并且電能傳輸不受空間非磁性障礙物的影響^[5]。MCR-WPT在傳輸距離、傳輸功率以及傳輸效率上均衡的性能表現(xiàn)，使其特別適用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電領(lǐng)域^[6-7]。

1 系統(tǒng)理論分析

　　系統(tǒng)采用串聯(lián)-串聯(lián)式諧振結(jié)構(gòu)，等效電路如圖1所示。其中，U_s為高頻交流電源，C_p、C_s分別為原、副邊諧振電容，L_p、L_s分別為原、副邊線圈自感，M為原副邊線圈之間的互感，R為負(fù)載電阻，I_p、I_s分別為原、副邊電流，ω₀為系統(tǒng)諧振頻率，R_p、R_s為線圈等效內(nèi)阻，Z_L為電池等效內(nèi)阻。

　　根據(jù)互感耦合模型，得到單負(fù)載系統(tǒng)等效電路的狀態(tài)方程：

　　系統(tǒng)傳輸效率為：

(6)

　　由式(5)可知，系統(tǒng)輸出功率主要由初級(jí)繞組內(nèi)阻和次級(jí)反映阻抗的實(shí)部、虛部共同決定，其中涉及包括工作頻率、諧振電容、電感、內(nèi)阻等一系列參數(shù)。 由式(6)可知，系統(tǒng)傳輸效率由初級(jí)側(cè)內(nèi)阻和次級(jí)反映阻抗實(shí)部共同決定。隨著反映阻抗實(shí)部R_P-S的逐漸增大，傳輸效率也在逐漸增大。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用220V、50Hz交流電源供電，經(jīng)全橋不控整流電路、DC-DC降壓斬波電路和高頻全橋逆變電路，與發(fā)射端諧振電容和發(fā)射線圈連接，接收線圈在諧振磁場(chǎng)中產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)化為直流電，給電動(dòng)汽車蓄電池充電。車載充電機(jī)通過(guò)藍(lán)牙模塊與電能發(fā)射端通信，通過(guò)實(shí)時(shí)控制DC-DC直流斬波電路輸出電壓，調(diào)整電池充電功率。

3 系統(tǒng)主電部分電路設(shè)計(jì)

3.1 DC-DC斬波電路設(shè)計(jì)

　　DC-DC調(diào)壓電路主要有BUCK、BOOST、CUK等電路結(jié)構(gòu)。本文采用BUCK降壓斬波電路：降低逆變電路輸入電壓，提升逆變電路電流幅值，容易檢測(cè)電流變化情況，雖然線損與其他電路相比有一定提高，但與系統(tǒng)輸出功率等級(jí)相比提升極其微小。BUCK電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，紋波可調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢(shì)，因此，本系統(tǒng)采用BUCK電路做為DC-DC環(huán)節(jié)的主電路拓?fù)洹?/p>

3.2 全橋逆變電路設(shè)計(jì)

　　工程中常用的逆變電路主要有：全橋逆變電路和半橋逆變電路。全橋逆變電路的功耗元件是半橋逆變電路的兩倍，所以整個(gè)電路的功耗也近似是半橋逆變電路功耗的兩倍，但是全橋逆變電路的電壓等級(jí)卻比半橋逆變電路要高，考慮到電源電壓的功率等級(jí)，選擇全橋逆變電路為系統(tǒng)原邊電路的高頻逆變單元。