电动汽车无线充电系统的研究

杨儒龙，刘述喜，李科娜，贺国东旭

（重庆理工大学电气与电子工程学院，重庆 400054）

现在全国正大力发展新能源汽车，在公共巴士、出租车、邮政物流车、警车等领域，国家都发布过相关新能源汽车推广方案。最近，国家又发布了新的政策，将逐步扩大新能源汽车在公务用车领域的配备比例。电动汽车不以传统的石油和天然气为动力，绿色环保，能满足人们出行的需要。在未来的城市交通发展中，电动汽车必定会得到大力推广，电动汽车能随时快速充电成为人们的一种迫切需要。目前，电动汽车的主要充电方式是接触式充电，这种充电方式受环境影响较大，充电时间长，还可能会产生触电的危险，而无线充电技术可以弥补以上不足。对于电动汽车而言，无线充电没有电缆的接触损耗，没有机械磨损，可以大大增加设备的使用寿命［1-2］。若将无线充电装置布置在住宅、停车场等场所，电动汽车将可以随时随地充电，这样可以大幅度减少电动汽车所配备的充电电池，从而降低电动汽车的运行成本。

本文通过对电动汽车无线充电系统的研究，提出一种基于磁耦合谐振式的电动汽车无线充电的设计方案，通过分析电动汽车无线电能传输的相关原理［3］，设计了一种改进型的ZCT-PWM斩波电路，由此减小了充电系统的开关损耗［4-7］。电动汽车使用DSP控制系统，采用TMS320F2812芯片为主控制芯片，并完成了电动汽车相关的系统设计。最后通过对20 kW／70 kHz无线电动汽车进行充电实验，其实验结果验证了所设计方案的合理性和正确性。

1 无线充电系统

无线充电系统是新能源电动汽车的重要组成部分。充电系统要求能满足大功率输出且具有较高的输出效率。磁耦合谐振式无线充电装置结构如图1所示，充电系统的整体装置基本可分为4个部分：发射侧电源变换电路、电能传输电路、接收侧电源变换电路、辅助控制保护电路。

图1 磁耦合谐振式无线充电系统结构框图

发射侧电源变换电路通过电网获得能量，将输入系统的380 V交流电经整流、斩波、逆变成高频交流电，通过发射线圈形成一个电能传输磁场，将电能转化为电磁场能量，然后通过接收线圈接收磁场能，重新转化为电能。接收线圈接收到的电能经整流装置转换为直流电给电池组充电，直到整个充电工作完成。控制保护电路主要是实现对系统频率、开关管驱动信号、充电状态等的控制。

1.1 传输线圈模型分析

无线充电电动汽车的接收线圈和发射线圈一般是由相匹配的谐振线圈组成，发射端和接收端分别形成交变磁场进行能量的转换。由于电动汽车无线充电传输距离要求相对较远而且需要较高的传输效率，在各种线圈模型中，圆柱型螺旋线圈相对于其他形状更为适合高效率的传输，线圈的等效结构如图2所示。

图2 传输线圈等效模型

其中原边和副边的等效阻抗为：

由式 （1）、式 （2）和式 （3）可得原边和副边电流为：

由于发射线圈和接收线圈是材质相同的对称圈，因此，L1=L2，R1=R2。当线圈发生谐振时可得：由以上各式可得电源功率与负载功率为：

由式 （7）和式 （8）可得无线充电系统的传输效率为：

因此，在能量的传输过程中，当发射线圈和接收线圈同时发生谐振时，系统的功率和效率才最大。

1.2 软开关斩波器原理

为了降低开关损耗，实现高频、大功率调节，本文采用一种改进型的ZCT－PWM软开关斩波器进行功率调节，使得斩波器的开关管工作在软开关状态，其等效电路如图3所示，其中R表示负载的等效电阻。斩波器的工作过程和工作时序图如图4和图5所示。

图3 改进型ZCT-PWM斩波器

t0～t1阶段：二极管D导通，VT1电流逐渐增大，实现零电流导通。

t1～t2阶段：电感L2和二极管D中电流减小到0，此时，VD2导通，对谐振电容C1进行充电。

经过长时间的使用后，往复式真空泵气阀中的弹簧性能就会逐渐下降，从而会发生漏气、闭合不严等现象，增加其自身的温度。结合实际情况能够发现，通常为气阀所配备的弹簧件质量不佳，而气阀超温基本上集中在中间位置，而该位置处没有冷却水，所以温度就会居高不下，加之弹簧不具有耐高温的性能，因此，影响整个气阀的实际运行。

t2～t3阶段：谐振结束，电路作为一降压斩波器进行工作，其工作时间由PWM驱动信号所控制。

t3～t4阶段：在t3时刻VT2导通，L2和C1再次发生谐振。由于L2的电流不能突变，VT2实现零电流开通，L2中电流逐渐增大，t4时刻达到I0，VT1电流减小至0。

t4～t5阶段：t4时刻L2输出电流上升至I2，VT1电流降至0，二极管VD1导通，L2和C1继续发生谐振，流过L2的电流先继续增大至峰值后，开始逐步减小，t5时刻下降至I0，同时VD1关断，VT1实现零电压零电流关断。

t5～t6阶段：从t5时刻至t6，C1逐步放电直到端电压为0。

t6～t7阶段：t6时刻C1放电结束，续流二极管D导通，此时，L2电流等于输出电流I0，VT2无电流通过实现零电流关断，至此整个工作周期结束，等待下个周期的PWM脉冲信号。

2 DSP电路设计

2.1 DSP控制系统

图4 软开关斩波器工作过程图

图5 软开关斩波器工作时序图

电动汽车控制系统的传统方法是通过模拟电路实现，但是模拟控制电路容易受干扰，且难以实现远程控制。因此，本文使用DSP设计控制系统来代替传统的模拟控制系统，使得控制更加简便。

无线充电系统的DSP硬件电路如图6所示，主要包括故障保护电路、直流电压和电流采样电路、驱动信号电路等。

电流和电压互感器检测到的电压、电流信号，经过转换电路将信号送入DSP中的AD口，将采样值与给定值相比较。当超过相应给定值时，系统会报故障，封锁PWM脉冲信号，同时发出中断信号，调用DSP保护程序。

图6 控制系统结构图

2.2 电路设计

本文采用TPS70151芯片为DSP主芯片提供所需的3.3 V和1.8 V的工作电压以及DSP所需的复位信号。在设计采样电路时，添加了限幅电路，这样能更好地保护芯片。图7为DSP供电能源电路。

同时，在电路中添加负载过零检测电路 （图8），能减小开关器件在电路导通和关断时产生的浪涌电流，从而减小对开关器件冲击，降低开关损耗。

图7 DSP供电能源电路

图8 负载过零检测电路

无线充电电源的功率调节是通过斩波调功实现的，采样电路如图9和图11所示。斩波输出电压采样电路使用CHV-25P／400型电压传感器，其原副边匝数比为2 500∶1 000。所用采样电压Up=500 V，其额定输入电流Ip=10 mA，可计算出采样电阻R17=500 V。

电动汽车无线充电电源系统结构复杂，当系统出现故障时，为了保护设备不损坏，必须设计相关的保护电路，其电路如图10所示。其保护电路的原理为：信号采样电路采集相关故障信号，当电路出现故障时，产生相应的故障信号，信号经滤波、限幅等处理后，产生低电平信号送入DSP，DSP停止产生PWM信号。若系统的故障无法切断，则产生信号，使接触器跳闸，切断主电路。

图9 斩波输出电压采样电路

图10 直流母线保护电路

图11 斩波输出电流采样电路

3 实验验证

为了验证系统设计方案的正确性，现对一台20 kW／70 kHz的电动汽车无线充电电源进行充电实验。

斩波电路主副开关管的驱动波形如图12所示。系统的发射线圈和接收线圈的电流和电压波形如图13所示。从图13中可以看出，发射端和接收端的输出电流近似为正弦波，这说明系统的电能传输品质良好。

图12 斩波器开关管驱动波形

图13 传输线圈电压和电流波形

电动汽车无线充电系统的输出电压和输出电流波形如图14所示。在充电过程中，充电电流和电压逐步上升，最终趋于稳定。

4 结语

图14 输出电压和电流波形

本文通过对电动汽车无线充电系统研究，分析了电动汽车电能传输原理。在DC-DC斩波电路中引入了软开关控制策略，从而降低了开关损耗。同时，对无线充电系统设计了DSP控制回路，代替了传统的模拟电路控制系统，使得充电系统在控制方面更简便，更具有抗干扰性。最后，对所设计方案进行了实验验证。其实验结果表明了设计方案的正确性和有效性。