汽车无线充电系统设计

王治森，王安华，孙 飞，闫 铭，石昊达

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

电动汽车利用其无污染和低功耗的特点，逐渐进入了大众的眼帘。但其充电问题和电池续航问题还没有得到较好地解决[1]。因此，本文设计了一种基于磁耦合谐振技术的无线充电方案，希望对解决充电困难问题有一定帮助，促进电动汽车的发展[2]。

1 系统设计

1.1 整体方案

无线充电系统可以从市电中获取电力。电力经过整流、滤波、BUCK降压以及逆变电路进行DC/AC转换后传送到充电线圈。但由于直接传送会降低功率因数，因此必须安装PFC模块以完成功率因数校正[3]。增加第一级DC/DC模块，即BUCK电路，采集逆变电路输出端的电流电压值，将其送至主控芯片与设定值对比后进行PI调节。通过改变BUCK的PWM占空比达到实时调节电压的作用。逆变后的交流电压被输送至磁耦合谐振机构时还需要进行AC/DC变换，即进行同步整流滤波。但考虑到给蓄电池充电需要闭环控制蓄电池的充电电流和充电电压，而且由于蓄电池充电的特殊性，充电电压不能出现超调，因此不能用传统PID控制方法对蓄电池进行充电[4]。在此采用涓流→恒流→恒压的三段式充电方法对蓄电池进行充电。系统结构如图1所示。

图1 系统整体结构框图

1.2 主要参数计算

在本设计中，由PFC输入到BUCK电路的电压约为380 V DC，选取BUCK降压电路的最小占空比为：

式中，Vout为输出电压；Vin为输入电压；D为占空比。调整BUCK电路的功率时，电压通常在一定范围波动。以计算额定输出电压为220 V为例，其输出功率为200 W，此时计算BUCK输出端的等效负载R为242 Ω，则对于BUCK降压电路中的临界电感为：

式中，fsw为开关频率，取62.5 kHz。

在最低输入电压峰值时升压电感的最大电流纹波为：

式中，VINoff为欠压关闭电压，LPFC为升压电感，取ΔIL=7.2095。

可得PFC升压电感为：

PFC电容的计算如下：

实际电路中需要流出裕量，考虑到交流线电压频率的/2个周期[5]，假定最低频率33 Hz下/2个周期时间tHOLD=15 ms，电路输出功率pout为500W，允许的电压最小输出值Vout-min=300 V，则电容Cout为：

2 仿真分析

2.1 BUCK仿真

BUCK的作用是实现恒功率控制。设置BUCK输入电压为380 V DC，考虑到系统输出功率的可调过程，电感取200μH，以保持电感电流处于非导通状态。考虑到谐振部分需要部分电容，因此电容取5μF，负载电阻为100Ω。仿真模型如图2所示，仿真结果如图3所示。

图2 BUCK仿真

图3 BUCK输出电压与电流波形

2.2 逆变电路仿真

系统的高频逆变器电路使用全桥逆变器电路将BUCK的DC电压转换为系统所需的AC电压，给定输入电压为BUCK输出的220 V，全桥逆变的Simulink仿真如图4所示，结果如图5所示。

图4 全桥逆变仿真图

图5 逆变电路输出波形

3 结 论

根据无线充电原理设计了三段式无线充电系统，计算PFC和BUCK电路的主要参数，通过Simulink软件对BUCK电路和高频逆变桥电路进行仿真实验，证明方案合理可行，可以应用于工程实际。