王治森，王安華，孫 飛，閆 銘，石昊達(dá)

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

電動(dòng)汽車?yán)闷錈o污染和低功耗的特點(diǎn)，逐漸進(jìn)入了大眾的眼簾。但其充電問題和電池續(xù)航問題還沒有得到較好地解決[1]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于磁耦合諧振技術(shù)的無線充電方案，希望對(duì)解決充電困難問題有一定幫助，促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

無線充電系統(tǒng)可以從市電中獲取電力。電力經(jīng)過整流、濾波、BUCK降壓以及逆變電路進(jìn)行DC/AC轉(zhuǎn)換后傳送到充電線圈。但由于直接傳送會(huì)降低功率因數(shù)，因此必須安裝PFC模塊以完成功率因數(shù)校正[3]。增加第一級(jí)DC/DC模塊，即BUCK電路，采集逆變電路輸出端的電流電壓值，將其送至主控芯片與設(shè)定值對(duì)比后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。通過改變BUCK的PWM占空比達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓的作用。逆變后的交流電壓被輸送至磁耦合諧振機(jī)構(gòu)時(shí)還需要進(jìn)行AC/DC變換，即進(jìn)行同步整流濾波。但考慮到給蓄電池充電需要閉環(huán)控制蓄電池的充電電流和充電電壓，而且由于蓄電池充電的特殊性，充電電壓不能出現(xiàn)超調(diào)，因此不能用傳統(tǒng)PID控制方法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電[4]。在此采用涓流→恒流→恒壓的三段式充電方法對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主要參數(shù)計(jì)算

在本設(shè)計(jì)中，由PFC輸入到BUCK電路的電壓約為380 V DC，選取BUCK降壓電路的最小占空比為：

式中，Vout為輸出電壓；Vin為輸入電壓；D為占空比。調(diào)整BUCK電路的功率時(shí)，電壓通常在一定范圍波動(dòng)。以計(jì)算額定輸出電壓為220 V為例，其輸出功率為200 W，此時(shí)計(jì)算BUCK輸出端的等效負(fù)載R為242 Ω，則對(duì)于BUCK降壓電路中的臨界電感為：

式中，fsw為開關(guān)頻率，取62.5 kHz。

在最低輸入電壓峰值時(shí)升壓電感的最大電流紋波為：

式中，VINoff為欠壓關(guān)閉電壓，LPFC為升壓電感，取ΔIL=7.2095。

可得PFC升壓電感為：

PFC電容的計(jì)算如下：

實(shí)際電路中需要流出裕量，考慮到交流線電壓頻率的/2個(gè)周期[5]，假定最低頻率33 Hz下/2個(gè)周期時(shí)間tHOLD=15 ms，電路輸出功率pout為500W，允許的電壓最小輸出值Vout-min=300 V，則電容Cout為：

2 仿真分析

2.1 BUCK仿真

BUCK的作用是實(shí)現(xiàn)恒功率控制。設(shè)置BUCK輸入電壓為380 V DC，考慮到系統(tǒng)輸出功率的可調(diào)過程，電感取200μH，以保持電感電流處于非導(dǎo)通狀態(tài)?？紤]到諧振部分需要部分電容，因此電容取5μF，負(fù)載電阻為100Ω。仿真模型如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 BUCK仿真

圖3 BUCK輸出電壓與電流波形

2.2 逆變電路仿真

系統(tǒng)的高頻逆變器電路使用全橋逆變器電路將BUCK的DC電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的AC電壓，給定輸入電壓為BUCK輸出的220 V，全橋逆變的Simulink仿真如圖4所示，結(jié)果如圖5所示。

圖4 全橋逆變仿真圖

圖5 逆變電路輸出波形

3 結(jié) 論

根據(jù)無線充電原理設(shè)計(jì)了三段式無線充電系統(tǒng)，計(jì)算PFC和BUCK電路的主要參數(shù)，通過Simulink軟件對(duì)BUCK電路和高頻逆變橋電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，證明方案合理可行，可以應(yīng)用于工程實(shí)際。