电动汽车非接触式充电系统设计分析

钱程，齐雄

（宁波供电公司，浙江 宁波 315000）

前言

电动汽车动力电池为支持，噪音低、能源清洁、场地限制小、可实现接近燃油汽车的续航及最高时速[1]。电动汽车充电方式分为导线充电及无线能量传输。无线充电（WPT，wireless Power Transmission）以耦合电磁场为媒介，完成能量传输[2]。无线充电与优化导线充电中的机械磨损、触电老化现象，可实现一对多充电，实现“边驾驶边充电”。

1 无线充电传输组成

电动汽车无线充电系统由信号源、功率放大电路、同步电路、发射线圈、接收线圈、整流电路及负载组成：其中，信号源及功率放大电路发出稳定交流电，在发射线圈固定位置安装接收线圈，确保接收、发射线圈共振频率相同[3]。两线圈在固定频率下耦合共振，产生高频交变磁场，能量传递给接收线圈，整流电路将接收线圈高频交流电转化为直流电，为汽车充电。

2 电动汽车非接触式充电系统研制及系统架构分析

2.1 电动汽车非接触式充电系统拓扑结构

当下，单纯电动驱动汽车体积大、寿命低，自身结构还不完善，随市场应用前景广阔，但技术上还存在一定难题：充电慢、成本高[4]。该结构现状必然影响电动汽车的推广使用，徒增运行维护成本。下文提出“即时模式”，分析电动汽车非接触式充电系统设计。新型拓扑结构运行模式：

2.1.1 非接触送电

电容储存电能无法维持汽车运动后，系统送电，电网侧为电动汽车送电。 此时，送电断开关谐振逆变，电能以互感耦合方式传递给汽车接收端，接收端以PWM 整流，稳定交流电，转化为直流电，为电动汽车供电，保证其续航稳定。

2.1.2 非接触馈电

电动汽车下坡、制动、车载发电设备电量充足、盈余下，为确保系统稳定运行，需将电能以系统为媒介馈电，电动汽车为送电端，电网为接收端。电能以的互感耦合集中到接收端，接收端以PWM 将电流转化为直流电，为电网运行奠定基础。其中，非接触馈电功能可降低电动汽车驱动运行中，受电力过分盈余引起的运行隐患。

2.2 电动汽车非接触式充电系统等效模型分析

如图1 所示，将电动汽车视为电阻，简化分析其非接触式充电系统。

图1 电动汽车非接触式充电系统互感等效模型示意图

按照基尔霍夫电压及电流定律，建立系统微分方程：

式中：

L1、L2为送接端绕组电杆；R1、R2分别是送接端绕组电阻；C1、C2分别为送接端绕组对应补偿电容；M 为绕组互感内容。

由上述（1）微分方程，可采用PWM 对其进行调制，最终得到：

式中：

u1为1 端交流电压，S1为1 端H 桥调制函数；u2为2 端交流电压，S2为2 端H 桥调制函数；Ud1为网侧直流电压，Ud2 为电动汽车端直流电压；δ 为u2相对于u1的功角。在稳态模型指导下，我们可以通过表达式，计算输送端和接收端的具体功率，如下式：

在该式中：

X 为系统负载阻抗，可以通过X=XC1+XC2+XL1+XL2获得具体数值；

U1为u1实际有效数据值；

U2为u2实际有效数据值；

R 为等效电阻，表征则为系统实际损耗。

在电动汽车上，可以利用车载新能源发电设备，为电动汽车运行提供动力支持，降低其对非接触送电电源的实际需求，进而发挥分布式电源的最大化作用。该拓扑结构支持下的电动汽车，可具备电能回馈功能，对于电动汽车充电过于盈余的情况，通过电能回馈，将不合理的电能及时输送出去，降低电动汽车驱动系统实际运行风险，确保电动汽车稳定运行。由上述模型可得，模型设计中引入M1、M2及δ，可实现对系统的可靠性控制。

3 控制系统电路设计

3.1 STM32 最小系统

对电动汽车非接触式充电系统设计，应优化系统设计，确保充电稳定性及安全性。STM32 最小系统属于先进控制系统，其对控制环境要求严格，在电路中，还需配置CAN 标准通信和汽车通信，以STM32 最小系统为支持，实现对电路的科学控制。横向比较控制器，采用新型的系统芯片为系统设计核心，合理封装， 提高一般工作效率。此外，配置先进转换器及控制器，外设配置以ADC、SPI、I2C、USART 及定时器为支持，实现充电在线调控。

3.2 电源设计

电源均衡稳定对充电系统稳定有直接影响，采用STM32芯片支持，电源设计为2-3.6V，可选择不同供电方式：

（1）USB 供电，电流约为500mA；

（2）外部电源供电；

（3）以JLink V8 供电。

权衡利弊后，决定采用USB 稳定供电，具体地电路设计图如图2 所示。

图2 电动汽车非接触式充电系统USB 电源供电示意图

3.3 JTAG 接口电路设计

采用JTAG 辅助设计，具有良好稳定性，JTAG 协议可在线编程，无需预先变成，再安装到电路板中，直接将芯片安装到电路板上，针对需求编程，提高了工作效率。JTAG 结构电路设计中，以20 针调试接口为支持设计。

3.4 电压检测电路设计

电动汽车使用的电源电池具有特殊性，其容量较大，关系到电动汽车运行的稳定性，因此，要在充电稳定性及充电安全性上优化设计。电池充电时，需考虑到充电电压及充电电流的实时监测，发现异常及时报警。为确保充电状态在检测时，获取有效结果，对主电路输出电压检测，选择霍尔电压传感器CHV-25P 进行检测。设计中， STM32 中ADC 模块输入0.3V 输入范围（仅限参考），将裕量变化考虑在内，在基础3V 上限上，乘以约80%的数，获取的设计输入最大值，得到2.5V。原信号经过处理后进入STM32 对应ADCCINA1 端口：经电压跟随器，缓冲、隔离、后级滤波，进入差动输入运算系统，获取0-2.5V 电压，之后将信号经钳位处理后，送至STM32ADCCINA1 端口（钳位电路可稳定ADC 端口电压，控制电压处于0.3.3V 范围）。

3.5 输出电流检测

对主电路输出电流检测，以HBC20LSO 检测，但是，该工具不直接检测，其以传感器为支持，以被测电流穿过传感器中心孔，间接获取电压值。电流信号不直接供给给处理器，需经过一系列调试后，再供给。

3.6 控制系统软件设计

软件也是电动汽车非接触式充电系统设计重要组成之一，在控制系统当中，软件设计起到对整体系统的引导、指导性作用，可指导系统按照规范性步骤“按部就班”的执行，维护主程序稳定。程序设计中，主程序对系统工作指挥。考虑到非接触性系统的特点，在编程中，需对各个对应的寄存器对英国配置，采取模块化编程方式，注重编程整体结构的稳定性，充分发挥各个模块的最大化功能， 对模块变量的参数、AD 采样、PWM 控制等优化管理。

4 总结

文章对电动汽车非接触式充电系统设计分析，将非接触式充电系统拓扑结构及系统等效模型设计分析，对其控制系统电路设计分析。通过实现电动汽车和智能电网的交互，将多余电能输送给电网，减低电网供电压力，同时优化电动汽车能源结构，可有效减少对不可再生能源的依赖。分析电动汽车非接触式充电系统，应注重对电路拓扑及磁路优化设计，规划好无线电能传输及地车底盘、地面之间的距离，采用新型磁材料，感受汽车实际位置，提高充电效率。通过分析全新自动充电技术的，为电动汽车推广提供技术支持，可减轻电网压力，减少污染。