電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統設計方法研究
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作者 焦來(lái)磊1 荊蕾2 1.中惠創(chuàng )智無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)有限公司(山東 煙臺 264000)2.煙臺大學(xué)文經(jīng)學(xué)院信息工程系(山東 煙臺 264000)
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201706/361127.htm摘要：本文提出了一種基于磁耦合諧振的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統的設計方法。首先介紹了磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的傳輸機理;其次提出系統的整體設計結構、DC-DC斬波電路和單相全橋逆變電路的設計方法;再次，設計了三段式電池充電管理系統;最后完成以ARM單片機為控制核心的系統設計。實(shí)驗證明，該系統具有優(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(xiàn)電能傳輸技術(shù)(wireless power transfer，WPT)開(kāi)始得到世界研究機構越來(lái)越多的關(guān)注。
目前，WPT技術(shù)主要有3種，即電磁輻射式、電磁感應式和磁耦合諧振式。輻射式無(wú)線(xiàn)電能傳輸[3]利用遠場(chǎng)進(jìn)行傳輸，其傳輸距離遠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。電磁感應式無(wú)線(xiàn)電能傳輸機理[4]類(lèi)似于可分離變壓器，只有在較短的距離下才能實(shí)現較大功率和較高效率的傳輸。而磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)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，使其特別適用于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域[6-7]。
1 系統理論分析
系統采用串聯(lián)-串聯(lián)式諧振結構，等效電路如圖1所示。其中，Us為高頻交流電源，Cp、Cs分別為原、副邊諧振電容，Lp、Ls分別為原、副邊線(xiàn)圈自感，M為原副邊線(xiàn)圈之間的互感，R為負載電阻，Ip、Is分別為原、副邊電流，ω0為系統諧振頻率，Rp、Rs為線(xiàn)圈等效內阻，ZL為電池等效內阻。
根據互感耦合模型，得到單負載系統等效電路的狀態(tài)方程：
系統傳輸效率為：
(6)
由式(5)可知，系統輸出功率主要由初級繞組內阻和次級反映阻抗的實(shí)部、虛部共同決定，其中涉及包括工作頻率、諧振電容、電感、內阻等一系列參數。 由式(6)可知，系統傳輸效率由初級側內阻和次級反映阻抗實(shí)部共同決定。隨著(zhù)反映阻抗實(shí)部RP-S的逐漸增大，傳輸效率也在逐漸增大。
2 系統整體設計
系統的整體結構框圖如圖2所示，系統采用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(xiàn)圈連接，接收線(xiàn)圈在諧振磁場(chǎng)中產(chǎn)生高頻感應電壓，經(jīng)整流電路轉化為直流電，給電動(dòng)汽車(chē)蓄電池充電。車(chē)載充電機通過(guò)藍牙模塊與電能發(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，調整電池充電功率。
3 系統主電部分電路設計
3.1 DC-DC斬波電路設計
DC-DC調壓電路主要有BUCK、BOOST、CUK等電路結構。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，容易檢測電流變化情況，雖然線(xiàn)損與其他電路相比有一定提高，但與系統輸出功率等級相比提升極其微小。BUCK電路具有電路結構簡(jiǎn)單、效率高，紋波可調節，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)勢，因此，本系統采用BUCK電路做為DC-DC環(huán)節的主電路拓撲。
3.2 全橋逆變電路設計
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卻比半橋逆變電路要高，考慮到電源電壓的功率等級，選擇全橋逆變電路為系統原邊電路的高頻逆變單元。
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