新能源汽車無(wú)線智能充電裝置設(shè)計(jì)

宛東

摘 要：基于新能源汽車市場(chǎng)保有量的不斷增加，解決新能源汽車電池充電問題成為新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵。所以基于智能充電技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)無(wú)線智能充電裝置成為促進(jìn)新能源汽車生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵因素。文章在綜合相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新能源汽車無(wú)線智能充電裝置，以此提升新能源汽車充電效率。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;無(wú)線智能充電;設(shè)計(jì);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

0 ? 引言

隨著我國(guó)新能源汽車生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，新能源汽車市場(chǎng)保有量不斷增加。無(wú)線智能充電技術(shù)是新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，是解決新能源汽車充電煩瑣問題的重要途徑。據(jù)調(diào)查，目前我國(guó)無(wú)線電能傳輸本身已經(jīng)成熟，制約新能源汽車智能充電的主要因素是應(yīng)用場(chǎng)景的匹配問題。例如無(wú)線智能充電系統(tǒng)與車輛定位、地面設(shè)備與車載設(shè)備之間的匹配問題。因此筆者結(jié)合相關(guān)研究成果，設(shè)計(jì)新能源汽車無(wú)線智能充電裝置，以此提升新能源汽車充電效率。

1 ? 新能源汽車無(wú)線智能充電原理

新能源汽車無(wú)線智能充電原理就是交流電源經(jīng)過(guò)整流濾波以及高頻逆變后，在發(fā)射線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻的交流電流，從而在發(fā)射圈附近產(chǎn)生高頻的交變磁場(chǎng)，進(jìn)而形成感應(yīng)電流。其具體充電流程是通過(guò)地面發(fā)射設(shè)備與車載裝置之間的匹配完成。例如，當(dāng)新能源汽車的車載充電設(shè)備與地面設(shè)備對(duì)齊后，無(wú)線智能充電系統(tǒng)就會(huì)開始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)新能源汽車的自動(dòng)充電。目前，我國(guó)無(wú)線智能充電的形式比較多，其主要有電場(chǎng)耦合式、無(wú)線電波式等。每種無(wú)線智能充電形式都具有對(duì)應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然其在實(shí)踐中也存在一定的劣勢(shì)。如電場(chǎng)耦合充電模式由于其傳輸?shù)墓β时容^小，因此以目前的技術(shù)難以在電動(dòng)汽車中應(yīng)用。根據(jù)調(diào)查目前電磁感應(yīng)式是電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)主要發(fā)展趨勢(shì)。

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，大力發(fā)展無(wú)線智能充電裝置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義：首先，基于新能源汽車的主要?jiǎng)恿褪请娔?，但目前我?guó)新能源汽車電池里程短問題成為制約新能源汽車發(fā)展的重要因素。而通過(guò)發(fā)展無(wú)線智能充電裝置可以有效解決新能源汽車電池里程短的問題，從而提高新能源汽車的發(fā)展速度。其次，無(wú)線智能充電裝置具有方便快捷優(yōu)勢(shì)。根據(jù)調(diào)查目前有線充電裝置在城市發(fā)展的速度不快，原因就是其受場(chǎng)地影響，導(dǎo)致新能源汽車的充電極為不方便。而無(wú)線智能充電裝置其通過(guò)運(yùn)用無(wú)線傳輸系統(tǒng)可以達(dá)到占地小、充電便捷的性能。例如新能源汽車只需要在其允許范圍內(nèi)就可以完成充電，這樣有效解決了城市用地問題。最后，其后期運(yùn)行成本較低，尤其是故障發(fā)生率要低于有線充電。根據(jù)調(diào)查使用無(wú)線智能充電可以有效降低后期的維護(hù)費(fèi)用，尤其是降低了人為破壞的發(fā)生率。但相對(duì)于傳統(tǒng)的充電裝置模式而言，無(wú)線智能充電存在充電率不高的問題，尤其是無(wú)法解決快速充電的問題。例如，目前無(wú)線充電裝置的功率傳遞大部分在10 kW以下，在電動(dòng)車輛上無(wú)線充電存在慢充等缺陷[1].

2 ? 新能源汽車無(wú)線充電裝置的整體設(shè)計(jì)

2.1 ?電路設(shè)計(jì)

線路設(shè)計(jì)是新能源無(wú)線充電系統(tǒng)的核心，本文設(shè)計(jì)的新能源汽車無(wú)線智能充電裝置主要是保障輸出功率達(dá)到2 W。按照常規(guī)有效輸出功率為75%的設(shè)計(jì)原則，輸入端的功率需要達(dá)到2.7 kW，還要選擇功率為4 kW的器件作為相應(yīng)的配件，主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1.1 ?PFC電路設(shè)計(jì)

根據(jù)電路原理可知，新能源汽車無(wú)線智能裝置的電源受電壓波動(dòng)而產(chǎn)生畸形導(dǎo)致功率下降，所以需要對(duì)功率因素的校正。具體設(shè)計(jì)方案是先利用功率因數(shù)校正電路實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因素的調(diào)整，以此得到穩(wěn)定的電流;再利用BUCK電路調(diào)節(jié)電壓，保證輸出功率的恒定[2]。

2.1.2 ?BUCK電路設(shè)計(jì)

雖然經(jīng)過(guò)上述舉措之后，電路中的電壓和電流相位基本一致，而且通過(guò)PFC電路后，電壓的幅值也得到提升，但是無(wú)線充電系統(tǒng)的輸出功率與電壓有關(guān)。通過(guò)在PFC電路中實(shí)現(xiàn)了電壓值的調(diào)節(jié)，但是其還需要完成減少紋波電路的功能，所以在二者同時(shí)運(yùn)行的時(shí)候，容易引起無(wú)線充電系統(tǒng)出現(xiàn)混亂。因此需要在無(wú)線充電通信模式設(shè)置BUCK電路，如圖1所示。

通過(guò)綜合計(jì)算本文BUCK電路的電路臨界電感為199.61UH?？梢姰?dāng)BUCK電路啟動(dòng)時(shí)，由于電路比較大，需要在電路系統(tǒng)中通過(guò)硬件得以保護(hù)，具體就是在輸出電壓中加入控制器，這樣實(shí)現(xiàn)對(duì)電路電壓的控制。在具體操作上則是將檢測(cè)到的BUCK電路輸出的數(shù)值與預(yù)期設(shè)計(jì)的數(shù)值進(jìn)行相減，將相減的數(shù)值作為無(wú)線智能充電電壓控制器的輸入值。

2.1.3 ?高頻逆變電路設(shè)計(jì)

無(wú)線智能充電系統(tǒng)需要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，所以本設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)環(huán)節(jié)就是設(shè)計(jì)高頻逆變電路。當(dāng)前對(duì)于高頻逆變電路的處理硬件設(shè)備有：（1）自激震蕩式高頻逆變電路。主要是依靠自身震蕩的逆變電路，可以快速地將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。但是此種電路所承受的功率比較小，不能適應(yīng)于新能源汽車。（2）H橋驅(qū)動(dòng)電路。采取四個(gè)MOS管組成正反兩個(gè)通路，通路的通斷通過(guò)施加到MOS管上的PWM信號(hào)來(lái)控制。

2.2 ?硬件設(shè)計(jì)

控制器是無(wú)線智能充電裝置的主要組成部分，其主要分為控制板設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)。

電源模塊是支撐無(wú)線智能充電的重要組成部分，其主要分為12 V供電和5 V供電：第一級(jí)電源主要是將310 V的高壓輸入轉(zhuǎn)化為12 V的低壓直流。為了滿足流通需要，本文主要采取Vl5-27812模塊作為電平轉(zhuǎn)換芯片，這是因?yàn)榇朔N芯片能夠輸入1200 V的電壓，輸出最大電路可以達(dá)到1.25 A。第二級(jí)電源系統(tǒng)則是將12 V電壓轉(zhuǎn)化為5 V電壓，因此采取B1205D.2WR2模塊[3]。

2.3 電壓隔離采樣設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算無(wú)線智能充電系統(tǒng)的直流電壓可以達(dá)到 ? ? ? ?310 V。較高的電壓必然影響系統(tǒng)的接觸采樣，所以為了保證對(duì)電壓的準(zhǔn)確計(jì)算，需要在無(wú)線智能裝置找那個(gè)設(shè)置具有隔離功能的AD采樣芯片，這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)直流電壓的采樣處理。由于直流電壓具有不穩(wěn)定性，這樣會(huì)影響無(wú)線智能充電系統(tǒng)的運(yùn)行效果，尤其是電壓的波動(dòng)會(huì)影響無(wú)線智能充電系統(tǒng)，甚至導(dǎo)致某些元件出現(xiàn)損傷，因此本文設(shè)計(jì)以下電路（由590 KQ，10 KQ和200Q的電阻串聯(lián)），具體如圖2所示。

3 ? 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 ?PFC仿真模型建立與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)無(wú)線智能充電裝置的性能，采取BOOST電路進(jìn)行互補(bǔ)輸出檢驗(yàn)PEC，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：無(wú)線智能裝置加入PEC電路后，電壓及電流相位相同，尤其是功率因數(shù)得到提升，因此表明PEC起到了功率因數(shù)校正的作用。

3.2 ?BUCK仿真模型建立與結(jié)果分析

BUCK電路主要目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)恒功率的控制，通過(guò)計(jì)算可以看出，BUCK電路的輸出電壓穩(wěn)定在期望的電壓值處。

總之，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，硬件電路的每個(gè)模塊均實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，整個(gè)系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果。但是電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)諸等輔助功能：一方面在功能實(shí)現(xiàn)還沒有形成技術(shù)路線的共識(shí);另一方面這些功能涉及人體和整車的安全，其測(cè)試要求更加嚴(yán)格，在針對(duì)這些方面的測(cè)試方法還存在一些困難需要克服。

[參考文獻(xiàn)]

[1]溫超.新能源汽車磁耦合共振式無(wú)線充電系統(tǒng)研究[D].青島：青島大學(xué)，2017.

[2]范祖良.新能源汽車電池?zé)o線充電功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2020（8）：73-74

[3]侯明心，焦欣宇，朱向冰.新能源汽車磁場(chǎng)共振式無(wú)線充電發(fā)展綜述[J].信息化研究，2020（2）：37-42.

（編輯 姚 鑫）