電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

錢程，齊雄

（寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

前言

電動汽車動力電池為支持，噪音低、能源清潔、場地限制小、可實(shí)現(xiàn)接近燃油汽車的續(xù)航及最高時(shí)速[1]。電動汽車充電方式分為導(dǎo)線充電及無線能量傳輸。無線充電（WPT，wireless Power Transmission）以耦合電磁場為媒介，完成能量傳輸[2]。無線充電與優(yōu)化導(dǎo)線充電中的機(jī)械磨損、觸電老化現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)一對多充電，實(shí)現(xiàn)“邊駕駛邊充電”。

1 無線充電傳輸組成

電動汽車無線充電系統(tǒng)由信號源、功率放大電路、同步電路、發(fā)射線圈、接收線圈、整流電路及負(fù)載組成：其中，信號源及功率放大電路發(fā)出穩(wěn)定交流電，在發(fā)射線圈固定位置安裝接收線圈，確保接收、發(fā)射線圈共振頻率相同[3]。兩線圈在固定頻率下耦合共振，產(chǎn)生高頻交變磁場，能量傳遞給接收線圈，整流電路將接收線圈高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電，為汽車充電。

2 電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)研制及系統(tǒng)架構(gòu)分析

2.1 電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)下，單純電動驅(qū)動汽車體積大、壽命低，自身結(jié)構(gòu)還不完善，隨市場應(yīng)用前景廣闊，但技術(shù)上還存在一定難題：充電慢、成本高[4]。該結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀必然影響電動汽車的推廣使用，徒增運(yùn)行維護(hù)成本。下文提出“即時(shí)模式”，分析電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)運(yùn)行模式：

2.1.1 非接觸送電

電容儲存電能無法維持汽車運(yùn)動后，系統(tǒng)送電，電網(wǎng)側(cè)為電動汽車送電。 此時(shí)，送電斷開關(guān)諧振逆變，電能以互感耦合方式傳遞給汽車接收端，接收端以PWM 整流，穩(wěn)定交流電，轉(zhuǎn)化為直流電，為電動汽車供電，保證其續(xù)航穩(wěn)定。

2.1.2 非接觸饋電

電動汽車下坡、制動、車載發(fā)電設(shè)備電量充足、盈余下，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需將電能以系統(tǒng)為媒介饋電，電動汽車為送電端，電網(wǎng)為接收端。電能以的互感耦合集中到接收端，接收端以PWM 將電流轉(zhuǎn)化為直流電，為電網(wǎng)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。其中，非接觸饋電功能可降低電動汽車驅(qū)動運(yùn)行中，受電力過分盈余引起的運(yùn)行隱患。

2.2 電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)等效模型分析

如圖1 所示，將電動汽車視為電阻，簡化分析其非接觸式充電系統(tǒng)。

圖1 電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)互感等效模型示意圖

按照基爾霍夫電壓及電流定律，建立系統(tǒng)微分方程：

式中：

L1、L2為送接端繞組電桿；R1、R2分別是送接端繞組電阻；C1、C2分別為送接端繞組對應(yīng)補(bǔ)償電容；M 為繞組互感內(nèi)容。

由上述（1）微分方程，可采用PWM 對其進(jìn)行調(diào)制，最終得到：

式中：

u1為1 端交流電壓，S1為1 端H 橋調(diào)制函數(shù)；u2為2 端交流電壓，S2為2 端H 橋調(diào)制函數(shù)；Ud1為網(wǎng)側(cè)直流電壓，Ud2 為電動汽車端直流電壓；δ 為u2相對于u1的功角。在穩(wěn)態(tài)模型指導(dǎo)下，我們可以通過表達(dá)式，計(jì)算輸送端和接收端的具體功率，如下式：

在該式中：

X 為系統(tǒng)負(fù)載阻抗，可以通過X=XC1+XC2+XL1+XL2獲得具體數(shù)值；

U1為u1實(shí)際有效數(shù)據(jù)值；

U2為u2實(shí)際有效數(shù)據(jù)值；

R 為等效電阻，表征則為系統(tǒng)實(shí)際損耗。

在電動汽車上，可以利用車載新能源發(fā)電設(shè)備，為電動汽車運(yùn)行提供動力支持，降低其對非接觸送電電源的實(shí)際需求，進(jìn)而發(fā)揮分布式電源的最大化作用。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持下的電動汽車，可具備電能回饋功能，對于電動汽車充電過于盈余的情況，通過電能回饋，將不合理的電能及時(shí)輸送出去，降低電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，確保電動汽車穩(wěn)定運(yùn)行。由上述模型可得，模型設(shè)計(jì)中引入M1、M2及δ，可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的可靠性控制。

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 STM32 最小系統(tǒng)

對電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保充電穩(wěn)定性及安全性。STM32 最小系統(tǒng)屬于先進(jìn)控制系統(tǒng)，其對控制環(huán)境要求嚴(yán)格，在電路中，還需配置CAN 標(biāo)準(zhǔn)通信和汽車通信，以STM32 最小系統(tǒng)為支持，實(shí)現(xiàn)對電路的科學(xué)控制。橫向比較控制器，采用新型的系統(tǒng)芯片為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心，合理封裝， 提高一般工作效率。此外，配置先進(jìn)轉(zhuǎn)換器及控制器，外設(shè)配置以ADC、SPI、I2C、USART 及定時(shí)器為支持，實(shí)現(xiàn)充電在線調(diào)控。

3.2 電源設(shè)計(jì)

電源均衡穩(wěn)定對充電系統(tǒng)穩(wěn)定有直接影響，采用STM32芯片支持，電源設(shè)計(jì)為2-3.6V，可選擇不同供電方式：

（1）USB 供電，電流約為500mA；

（2）外部電源供電；

（3）以JLink V8 供電。

權(quán)衡利弊后，決定采用USB 穩(wěn)定供電，具體地電路設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)USB 電源供電示意圖

3.3 JTAG 接口電路設(shè)計(jì)

采用JTAG 輔助設(shè)計(jì)，具有良好穩(wěn)定性，JTAG 協(xié)議可在線編程，無需預(yù)先變成，再安裝到電路板中，直接將芯片安裝到電路板上，針對需求編程，提高了工作效率。JTAG 結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)中，以20 針調(diào)試接口為支持設(shè)計(jì)。

3.4 電壓檢測電路設(shè)計(jì)

電動汽車使用的電源電池具有特殊性，其容量較大，關(guān)系到電動汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，要在充電穩(wěn)定性及充電安全性上優(yōu)化設(shè)計(jì)。電池充電時(shí)，需考慮到充電電壓及充電電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。為確保充電狀態(tài)在檢測時(shí)，獲取有效結(jié)果，對主電路輸出電壓檢測，選擇霍爾電壓傳感器CHV-25P 進(jìn)行檢測。設(shè)計(jì)中， STM32 中ADC 模塊輸入0.3V 輸入范圍（僅限參考），將裕量變化考慮在內(nèi)，在基礎(chǔ)3V 上限上，乘以約80%的數(shù)，獲取的設(shè)計(jì)輸入最大值，得到2.5V。原信號經(jīng)過處理后進(jìn)入STM32 對應(yīng)ADCCINA1 端口：經(jīng)電壓跟隨器，緩沖、隔離、后級濾波，進(jìn)入差動輸入運(yùn)算系統(tǒng)，獲取0-2.5V 電壓，之后將信號經(jīng)鉗位處理后，送至STM32ADCCINA1 端口（鉗位電路可穩(wěn)定ADC 端口電壓，控制電壓處于0.3.3V 范圍）。

3.5 輸出電流檢測

對主電路輸出電流檢測，以HBC20LSO 檢測，但是，該工具不直接檢測，其以傳感器為支持，以被測電流穿過傳感器中心孔，間接獲取電壓值。電流信號不直接供給給處理器，需經(jīng)過一系列調(diào)試后，再供給。

3.6 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件也是電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要組成之一，在控制系統(tǒng)當(dāng)中，軟件設(shè)計(jì)起到對整體系統(tǒng)的引導(dǎo)、指導(dǎo)性作用，可指導(dǎo)系統(tǒng)按照規(guī)范性步驟“按部就班”的執(zhí)行，維護(hù)主程序穩(wěn)定。程序設(shè)計(jì)中，主程序?qū)ο到y(tǒng)工作指揮。考慮到非接觸性系統(tǒng)的特點(diǎn)，在編程中，需對各個(gè)對應(yīng)的寄存器對英國配置，采取模塊化編程方式，注重編程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮各個(gè)模塊的最大化功能， 對模塊變量的參數(shù)、AD 采樣、PWM 控制等優(yōu)化管理。

4 總結(jié)

文章對電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，將非接觸式充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)等效模型設(shè)計(jì)分析，對其控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)分析。通過實(shí)現(xiàn)電動汽車和智能電網(wǎng)的交互，將多余電能輸送給電網(wǎng)，減低電網(wǎng)供電壓力，同時(shí)優(yōu)化電動汽車能源結(jié)構(gòu)，可有效減少對不可再生能源的依賴。分析電動汽車非接觸式充電系統(tǒng)，應(yīng)注重對電路拓?fù)浼按怕穬?yōu)化設(shè)計(jì)，規(guī)劃好無線電能傳輸及地車底盤、地面之間的距離，采用新型磁材料，感受汽車實(shí)際位置，提高充電效率。通過分析全新自動充電技術(shù)的，為電動汽車推廣提供技術(shù)支持，可減輕電網(wǎng)壓力，減少污染。