電動汽車無線反饋非接觸充電電路設(shè)計 - 全文

　　摘要：給出一種具有無線反饋全橋非接觸電動汽車充電電路。非接觸充電電路初級線圈向電動汽車底盤上的次級線圈傳遞電能。無線反饋電路將負(fù)載電壓的取樣信號無線反饋到非接觸充電電路中初級電路的控制端，通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)，改變初級電路全橋變換器的占空比，使輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值。此外，該電路還具有智能檢測電池電量、自動投入充電、浮充和停充功能。仿真與實驗證明了電路的可行性。

　　關(guān)鍵詞：電動汽車；非接觸供電；無線反饋

　　1 引言

　　電動汽車采用的非接觸充電系統(tǒng)（InductivelyCoupled Power Transfer，簡稱ICFT），以電磁感應(yīng)方式使初級線圈向次級線圈傳輸電能。將次級線圈安裝在汽車底盤上，初級線圈安裝在停車位的地面下，當(dāng)電動汽車?？康接泄潭ㄜ囄坏墓╇娋€圈裝置上時，受電線圈即可接受電能，對電池充電。一般電動汽車可在3～6 h內(nèi)完成充電。

　　與有線充電方式相比，非接觸充電系統(tǒng)具有充電智能化，且無需專人值守充電現(xiàn)場；充電不受天氣、環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)。實驗表明，非接觸充電系統(tǒng)耦合系數(shù)較低，通常在0．13～0．2之間，負(fù)載兩端的電壓波動較大。這里給出一種具有無線反饋穩(wěn)壓功能的非接觸供電電路，在不改變耦合系數(shù)的前提下，調(diào)節(jié)非接觸供電電路H橋占空比，改變初級電路的輸出功率，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

　　2 非接觸供電電路原理

　　非接觸電路原理圖如圖1所示。該電路包括非接觸供電電路和無線反饋電路兩部分。非接觸供電電路包括初級電路和次級電路；無線反饋電路包括檢測及發(fā)射電路和接收及反饋觸發(fā)電路，可同時實現(xiàn)智能控制和穩(wěn)壓功能。

　　圖1中，初級電路由功率開關(guān)管VS1～VS4構(gòu)成全橋變換器電路，采用PWM控制芯片SG3525控制推挽電路產(chǎn)生控制脈沖，分別交替控制VS1，VS4和VS2，VS3的柵極，使L11兩端產(chǎn)生交流電流，頻率設(shè)定為30 kHz。

　　L11，L12組成非接觸耦合變換器。C1，C4為初、次級線圈的補(bǔ)償電容，初級電源、初級變換器和初級線圈L31安裝在地面下；次級線圈L12、次級變換器安裝在汽車底盤內(nèi)。初、次級之間電氣隔離。

　　VD1，VD2和C2，C3構(gòu)成二倍壓整流電路，經(jīng)L2，C5濾波后給負(fù)載供電。

　　在圖1的等效電路中，全橋變換器H橋以前的電路可視為一個方波電壓源，其內(nèi)阻RS主要是供電電網(wǎng)計費(fèi)電表以前的等效內(nèi)阻。可見，使RL獲得最大傳輸功率的必要條件是使初、次級電路處于諧振狀態(tài)。根據(jù)此規(guī)律，通過理論計算和Pspice仿真，得到L11=10μH，L12=112μH，C1=1 nF和C4=0．1 nF。

　　3 無線反饋穩(wěn)壓及通訊電路原理

　　3．1 無線信號發(fā)射電路

　　無線信號發(fā)射電路如圖2所示。該電路由含有單片機(jī)的無線發(fā)射模塊NRF24E1和外圍電路構(gòu)成。R1，R2構(gòu)成電阻分壓電路，R2兩端的取樣電壓信號送入NRF24E1的模擬量輸入端AIO，此端口具有A／D轉(zhuǎn)換功能，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號發(fā)射給接收電路。當(dāng)負(fù)載電壓設(shè)定在24 V時，通過精確選擇R1，R2比值，設(shè)定取樣電壓信號幅度為1 V。

　　3．2 無線信號接收及反饋觸發(fā)電路

　　圖3為無線信號接收及反饋控制電路。通過軟件設(shè)定用于接收信號。無線模塊收到數(shù)字信號后．再用芯片TLC5615實現(xiàn)D／A串行轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為約1V的模擬信號，并由第7引腳輸出。將此模擬電壓信號送至SG3525的1腳（誤差放大器的反相輸入端）。SG3525的16腳為5．1 V基準(zhǔn)電壓，經(jīng)電阻精確分壓，使SG3525的2腳（同相輸入端）得到標(biāo)準(zhǔn)的1 V電壓信號。SG3525通過實時比較1，2腳電壓信號的差值，自動改變

　　11．14腳的輸出脈沖的占空比，控制VS1～VS4，改變其占空比，從而調(diào)節(jié)傳遞到次級電路的功率，起到穩(wěn)壓的目的。

　　此外，該電路還具有智能判斷和自動處理功能：當(dāng)汽車不在停車位時，信號接收電路收不到信號，非接觸供電初級電路自動關(guān)閉，起到節(jié)能作用；通過對負(fù)載電壓的檢測自動判斷蓄電池的充電程度，自動切換到浮充和停充狀態(tài)。

　　4 實驗結(jié)果與結(jié)論

　　設(shè)計輸入直流電壓Udc=310 V（由市電整流得到），輸出直流電壓Uo=48 V的電動汽車非接觸充電電路，工作頻率fs=30 kHz，負(fù)載為1 kVA，48 V的電動汽車專用蓄電池。實驗結(jié)果如圖4所示。

　　由圖4b可見，無線反饋的非接觸充電電路的穩(wěn)壓效果較佳。通過磁場耦合仿真與實驗，當(dāng)初、次級線圈相距10 cm時，得到的感應(yīng)耦合系數(shù)為0．15。經(jīng)精確選擇關(guān)鍵器件（L11，L12，C1，C4）規(guī)格，使電路處于較佳狀態(tài)。

　　電路除具有穩(wěn)壓功能外，還具有智能充電、欠過電壓、過電流保護(hù)功能。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路現(xiàn)象時，次級線圈兩端的電壓自動趨于零，起到自動保護(hù)的作用。