汽車無(wú)線自動(dòng)定位充電裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與探索

任健 姚靜 鞏建輝

摘 要：現(xiàn)階段隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，使得能源危機(jī)問題以及氣候問題逐漸受到人們的重視。為此在汽車領(lǐng)域，將傳統(tǒng)的燃油汽車轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)汽車，具有著良好的發(fā)展前景。在使用電動(dòng)汽車的過程中，充電問題一直沒有得到良好的解決，本文基于電動(dòng)汽車進(jìn)行無(wú)線自動(dòng)定位充電裝置系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和研究，從而實(shí)現(xiàn)汽車的高效率運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：無(wú)線自動(dòng)定位 充電裝置系統(tǒng) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PFC電路設(shè)計(jì)

1 前言

現(xiàn)階段，人們對(duì)于有效充電技術(shù)已經(jīng)有了較為完善的研究，但是在有線充電領(lǐng)域至今還存在著諸多的缺陷，例如在使用過程中容易造成裝置的損耗，同時(shí)還有著人員接觸觸電的可能性，無(wú)線充電技術(shù)可以很好的解決上述的問題，從而成為了當(dāng)下最具熱門的技術(shù)研究方向。

2 無(wú)線充電裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作原理

在進(jìn)行汽車的無(wú)線充電過程中，其中交流電源需要通過整流濾波以及高頻逆變之后，才可以有效的在發(fā)射線圈中產(chǎn)生具有高頻的交流電流，從而可以在發(fā)射線圈的附近產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)。這樣的形式下，就能夠讓在交變磁場(chǎng)當(dāng)中的接收線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流。這樣的感應(yīng)電流的出現(xiàn)，之后再通過諧波補(bǔ)償、整流濾波的方式進(jìn)行DC-DC的變換，之后實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的充電。下圖1為無(wú)線充電裝置拓部結(jié)構(gòu)示意圖。

因此在汽車上采用的無(wú)線充電設(shè)備，能夠自動(dòng)定位到一些特定地點(diǎn)的汽車，從而進(jìn)行高效率的充電，同時(shí)不僅僅可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的充電，還能夠?qū)π旭傊械钠囘M(jìn)行動(dòng)態(tài)的充電[1]。

3 無(wú)線充電裝置的電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行無(wú)線充電裝置的設(shè)計(jì)中，首先需要進(jìn)行PFC電路、BUCK電路以及各種高頻逆變電路和諧振補(bǔ)償電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得具體的參數(shù)進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整。同時(shí)依據(jù)不同的類型進(jìn)行器件的型號(hào)選擇。在此之后還需要對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行智能化處理。使得系統(tǒng)中的負(fù)載辨識(shí)算法進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，最后再將控制器的設(shè)計(jì)完善。

3.1 PFC電路設(shè)計(jì)

在汽車的無(wú)線充電裝置的設(shè)計(jì)中，需要能夠在電網(wǎng)中獲取到正弦波形式的交流電，之后再通過正弦波過橋時(shí)的整流電路進(jìn)行有針對(duì)性的處理，使得最后可以得到具有波動(dòng)性的直流電。但是這個(gè)過程中，在通過了整流橋之后的電流波會(huì)出現(xiàn)一定程度的變形，使得會(huì)出現(xiàn)數(shù)量眾多的高次諧波。為此，要在存在著整流濾波的電路當(dāng)中引入PFC電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路功率因數(shù)的校正[2]。

所謂PFC電路，就是指功率因數(shù)校正，在其中的功率因數(shù)是通過輸入有功功率同視在功率的比值得到的。具體公式如下：

PF=P1/S=UI1COS/Im=I1COS/（I12+I22+...+In2）-2

3.2 整流電路設(shè)計(jì)

在本研究當(dāng)中，對(duì)于無(wú)線充電技術(shù)裝置的設(shè)計(jì)，主要是將輸出功率提升到2kW以上。為此依照系統(tǒng)當(dāng)中的實(shí)際輸出功率的64%進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以得出，在輸入端口的實(shí)際功率為3.6kW。同時(shí)，為了提升電路的使用效果，從而降低對(duì)于電路的干擾因素，需要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠依照3KW的輸入功率進(jìn)行器件的選擇。下圖2為整流橋的整體設(shè)計(jì)原理。

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要完成對(duì)電路功率的有效調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的穩(wěn)定控制，進(jìn)一步避免由于輸出功率的較大波動(dòng)為整體電路造成穩(wěn)定性的威脅。但是只是一味的使用PFC電路來實(shí)現(xiàn)這兩種功能，會(huì)由于這兩方面有著相互耦合的作用，最終導(dǎo)致無(wú)法獲取到合適的電路參數(shù)值，從而為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大的影響。為此文本針對(duì)這一問題進(jìn)行了優(yōu)化處理，利用功能分開設(shè)計(jì)的方式，首先將功率因數(shù)用于對(duì)電路進(jìn)行校正，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)工作，這樣的方式能夠 在電路中形成較為穩(wěn)定的直流電壓。之后再使用BUCK對(duì)電路的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能夠保證輸出功率的穩(wěn)定性[1]。

3.3 BUCK電路硬件電路的設(shè)計(jì)

在對(duì)設(shè)計(jì)的PFC電路進(jìn)行功率的因數(shù)校正之后，使得電路中的電流以及電壓之間能夠保持一致性，進(jìn)而表明功率因數(shù)得到了很大的提升。并且，在接通了PFC電路之后，其電壓的增幅數(shù)值也有了更高的提升。在汽車的無(wú)線充電系統(tǒng)當(dāng)中，電路的輸出功率同輸入功率有著緊密的聯(lián)系。因此為了保障有著相對(duì)穩(wěn)定的功率輸出，就需要能夠依據(jù)PFC電路的輸出側(cè)進(jìn)行電壓的有效調(diào)節(jié)，之后便可以對(duì)電路當(dāng)中的輸出功率進(jìn)行穩(wěn)定的控制[2]。

在設(shè)計(jì)的PFC電路當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓的實(shí)際調(diào)節(jié)，并且這一調(diào)節(jié)電壓的過程是在BOOST電路當(dāng)中實(shí)現(xiàn)的，但是出于BOOST電路當(dāng)中還有著其他的功能，例如可以進(jìn)一步減少波紋電壓以及電流量的功能，使得一旦通過BUCK的電路來進(jìn)行波紋和電壓的具體調(diào)節(jié)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)的混亂。因此在使用了PFC電路之后，還需要利用BUCK電路來輔助進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，進(jìn)而保障可以將功率進(jìn)行穩(wěn)定的控制。

具體的方式是充分利用通信模塊，讓二次側(cè)的輸出電壓可以準(zhǔn)確的傳導(dǎo)到BUCK的電路當(dāng)中，從而對(duì)電路進(jìn)行有效的控制，之后再對(duì)BUCK的電路輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而穩(wěn)定住恒功率。

并且本質(zhì)上BUCK電路與PFC電路相同，都是對(duì)電流以及電壓進(jìn)行雙閉環(huán)的管控，之后再利用雙閉環(huán)的電勢(shì)起到對(duì)PWM的控制，以此來穩(wěn)定恒功率。

3.4 BUCK電路控制方式

在充電設(shè)備中的BUCK電路投入使用的時(shí)候，首先會(huì)導(dǎo)致電流過大，因此需要在系統(tǒng)當(dāng)中為一些硬件進(jìn)行強(qiáng)制性的保護(hù)措施。在設(shè)計(jì)的BUCK電路中，需要進(jìn)行控制器設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓以及輸出電流大小的控制。之后再對(duì)BUCK電路當(dāng)中輸出電流以及輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。但是由于輸出電壓同電動(dòng)汽車之間的無(wú)線充電設(shè)備的實(shí)際功率有著緊密的聯(lián)系，為此需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電壓的和輸出功率的控制，從而使其都保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

同時(shí)，在BUCK電路當(dāng)中，輸出的電壓需要進(jìn)行電壓隔離采樣，之后再對(duì)實(shí)際電壓進(jìn)行數(shù)值的獲取，之后再與期望的目標(biāo)電壓相減，從而得到相應(yīng)的差值，將這個(gè)得到的差值輸入到電流環(huán)控制器當(dāng)中。之后便可以利用PWM的生成模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器所產(chǎn)生的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到需要的PWM信號(hào)值。這樣的信號(hào)之后便可以有效的利用在控制開關(guān)中的作用，來對(duì)起到對(duì)輸出功率的控制作用。

3.5 高頻逆變電路設(shè)計(jì)

在通過對(duì)PFC電路和BUCK電路進(jìn)行優(yōu)化處理之后，在整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)當(dāng)中，其輸出功率能夠針對(duì)實(shí)際情況來進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)節(jié)，使之在電路當(dāng)中具有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電流電壓。因此，為了使電能可以利用線圈成功的轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)的能量，從而進(jìn)行高效率的傳播，這樣的穩(wěn)定的電流形式需要進(jìn)行高頻逆變電路的轉(zhuǎn)化，從而形成穩(wěn)定的高頻交流電。

自激振蕩式的高頻逆變電路，能夠以一種不受到外界驅(qū)動(dòng)的形式進(jìn)行自震蕩，從而產(chǎn)生逆變電路。在這種電路的方式下，并不需要使用多余的驅(qū)動(dòng)電路，以此這樣的模式下可以很好的提升電路的效率。

所采用的自激振蕩式的高頻逆變電路，能夠在不需要外加的驅(qū)動(dòng)器情況下有效的將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，并且在使用的過程中也有著多種多樣的形式。例如在使用的過程中，可以依據(jù)逆變所形成的不同波形進(jìn)行分類，形成了非正弦和正弦自激振蕩式的高頻逆變電路。同時(shí)也可以依據(jù)不同的原理來進(jìn)行分類，能夠分成反饋型逆變電路以及負(fù)阻型的逆變電路。在這樣的電路類型下，就不需要進(jìn)行電路的實(shí)際控制，能夠充分的利用自身電子管實(shí)現(xiàn)高頻的逆變，因此在輸出功率上，可以提升到百兆的效果。但是這樣的形式也存在著一定的弊端，就是該電路的實(shí)際承載力相對(duì)較小，通常情況下只能夠在一些有限的情況下使用。因此為了進(jìn)一步的提升電路的功率，需要電路設(shè)計(jì)過程中，采用一些較大功率的電子管，但是這樣的方法雖然可以達(dá)到較高的效率，但是會(huì)帶來更高的損耗，并且一定程度上喪失了安全性能，因此并不能在汽車的無(wú)線定位充電技術(shù)當(dāng)中應(yīng)用。

3.6 諧振補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行汽車無(wú)線定位充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，為了盡可能的降低制造成本，同時(shí)需要將輸出的功率控制在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，就需要進(jìn)行串串諧振的補(bǔ)償。一般來說，在進(jìn)行一次側(cè)需要進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償?shù)倪^程中，其補(bǔ)償?shù)碾娙莺途€圈上，存在的器件都有著較大的電壓，同時(shí)二者之間的電壓和卻相對(duì)較小，因此補(bǔ)償?shù)碾娙萃淮蝹?cè)線圈之上都需要承載著較大的電壓，但是在逆變器的開關(guān)器方面，則沒有過大的電壓，為此一定程度上有效的提升開關(guān)管的使用周期，因此在一次側(cè)的方面，需要采取串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞?。同時(shí)在二次側(cè)的方面，也能夠采用串聯(lián)的補(bǔ)償方式。同時(shí)經(jīng)過計(jì)算可以得知，在負(fù)載兩端所存在的實(shí)際壓力值同負(fù)載之間有著較為緊密的聯(lián)系。同時(shí)對(duì)工作頻率、線圈間的互感以及原邊電流存在著諸多的聯(lián)系。因此在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，只有保障對(duì)這些因素的考慮，才有可能有效的提升系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車無(wú)線自動(dòng)定位充電裝置系統(tǒng)的高性能，保障充電的穩(wěn)定性。

綜上所述，在對(duì)于汽車無(wú)線自動(dòng)定位充電裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先需要針對(duì)電路的各種類型進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析，從而利用合理的電路設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)充電的穩(wěn)定以及高功率，這樣便使得電動(dòng)汽車在充電環(huán)節(jié)的安全性和穩(wěn)定性。

基金項(xiàng)目：2019年陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)19JK0266）。

參考文獻(xiàn)：

[1]季樂樂.基于磁耦合諧振的電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)的研究[D].安徽工程大學(xué)，2019.

[2]黃杰，聶蓉.基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車無(wú)線充電自動(dòng)定位裝置控制電路設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2016，32（10）：26-27+41.