（合肥工业大学 科学技能研究院，安徽 合肥230009）
研究了新型电动汽车无线充电系统拓扑与掌握策略。采取双闭环掌握的AC/DC和双闭环掌握的DC/DC构造，去除了传统掌握系统中的无线旗子暗记反馈模块，并加入了功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)和软开关技能。在MATLAB/Simulink环境下对充电掌握系统进行了仿真，搭建了AC/DC、磁耦合和DC/DC变换电路，对蓄电池充电过程进行了仿真实验，并设计了充电系统PCB，终极搭建硬件平台验证了该方案的可行性和稳定性。
功率因数校正；软开关；电动汽车；无线充电
中图分类号：TM46文献标识码： ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.05.038
中文引用格式：刘新天，秦稳稳，郑昕昕. 电动汽车无线充电系统拓扑与掌握策略研究[J].电子技能运用，2017，43(5)：155-158.
英文引用格式：Liu Xintian，Qin Wenwen，Zheng Xinxin. Research on topology and control strategy of wireless charging system for electric vehicle[J].Application of Electronic Technique，2017，43(5)：155-158.
0 弁言
发展电动汽车是节能、环保和低碳经济的须要，电动汽车的充电装置相称于汽车燃料的加注站，当海内开始大张旗鼓地培植有线充电桩和充电站时，无线供电已在国外开始兴起，是未来电动汽车供电技能的发展趋势[1-3]。
目前关于电动汽车的无线充电，较为普遍的办理方案如图1所示[4-5]。充电装置的发射端埋设在充电场所的地面，吸收端设置在车辆底部。充电装置紧张由松耦合变压器和充电电路两部分组成。发射端与吸收端之间存在能量传输通道和信息传输通道，用于电能传输和反馈旗子暗记的回传。发射真个电流与吸收真个电压形成闭环掌握，闭环掌握系统的反馈电路中，原边侧电流反馈电路与掌握电路都处于系统的原边侧，对付反馈旗子暗记的通报不存在问题。而负载侧电压反馈电路处于系统的副边侧，要将反馈旗子暗记传回掌握电路，旗子暗记必须跨过松耦合变压器。在完成非打仗式电能传输的同时，掌握回路也要设计相应的无线旗子暗记传输电路来完成闭环反馈掌握，由此给系统的设计和事情带来了许多不便[6-8]。
为理解决传统闭环掌握方案中须要无线传输反馈旗子暗记的缺陷、降落充电时的电网侧谐波畸变、提高功率因数[9]，并知足电池侧的输出电压可控、输入电压宽适应性，电网侧和电池侧采纳隔离式开环掌握。本文针对当前的电动汽车无线充电技能的掌握策略进行了改进。发射端和吸收端分别采纳闭环掌握，取消了传统装置的信息传输通道的反馈旗子暗记的闭环掌握，采纳一种开环掌握的办法，其系统构造如图2所示。
1 新型无线充电系统
1.1 系统构造
该无线充电系统构造如图2所示。主电路包括AC/DC整流模块、松耦合变压器模块、DC/DC变换模块等部分。AC/DC模块采取的是Boost/全桥组合式软开关谐振PFC变换电路，DC/DC模块采取的是Buck变换电路。下面将分别对AC/DC模块和DC/DC模块的事理和掌握策略进行剖析和阐述。
PWM整流电路是采取PWM掌握办法和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上办理传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM掌握技能用于整流电路，就形成了PWM整流电路。通过对PWM整流电路进行掌握，使其输入电流非常靠近正弦波，且和输入电压同相位，则功率因数近似为1，因此PWM整流电路也称单位功率因数变流器。对付中、大功率PWM整流电路均采取单相或三相桥式构造，而对付小功率整流电路多采取单相不控整流加一级直流变换电路以实现网侧功率因数校正。本系统中采取的便是含Boost APFC的PWM整流电路。
松耦合变压器是无线充电系统的能量交流通道，本文紧张以无线充电系统的掌握策略研究为主，松耦合变压器采取传统的构造。DC/DC模块部分是接在松耦合变压器副边侧的变换电路，紧张对从松耦合变压器吸收到的电流进行整流和DC/DC变换，由于原边侧采取的是Boost升压电路，为了保持终极输出电压的稳定和调控，副边侧采取了无源无损Buck变换电路。
1.2 掌握策略
如图3所示，互换输入电压经二极管桥式不控整流后，再经由Boost DC/DC变换电路，通过相应的掌握使输入电流均匀值自动跟随整流电压基准值，可得到较高的网侧功率因数，并保持输出电压稳定。APFC电路有两个反馈掌握环:输入电流环使DC/DC变换器输入电流为全波整流波形，并且与全波整流电压波形相位相同；输出电压环使DC/DC变换器输出端为一个直流稳压源，达到直流电源的稳压效果。
如图4所示，在松耦合变压器副边侧，经由D9、D10的整流后接Buck变换电路，以输出电压和电流为反馈形成双闭环掌握，本方案中电感L3事情在电流连续状态下，由于Buck变换器的稳态输出均匀电压与占空比D成正比，因此，终极的输出稳态电压可由功率管S6的占空比掌握。
2 模态剖析
如图5所示，无线充电原边侧采取Boost/全桥组合式软开关PFC变换电路。个中L1为储能电感，S1为Boost变换器的主功率开关管，L2、D5、D6、D7、D8、C1、C2、C3与S1、L1共同组成无源无损软开关。其事情事理为，当MOS管S1关断时，在D6、C2的浸染下，MOS管实现零电压关断，当MOS管S1开通时，C1、C2和L2组成谐振网络，将C1中的能量转移到C2中，且由于L2的存在，D5的反向规复被抑制，MOS管是零电流开通。由于网络中没有电阻性的损耗元件，能量没有丢失，效率较高。
该变换器事情时，Boost级升压电感L1事情在CCM模式下，开关S1受闭环掌握，以一固定频率f1进行开断，采取均匀电流法掌握其占空比，以实现输出稳压和输入PF掌握。S2、S3、S4、S5为全桥逆变四个桥臂，S2、S5与S3、S4以一定的去世区韶光互补导通，并以一定的频率 f2交替开通，形成一个固定的事情周期。这两组功率管的驱动有着充分的去世区韶光，在这段韶光内，变压器漏感要有足够的能量抽取光将要开通的功率管两端谐振电容的电荷，并给关断的开关管的谐振电容充电，以担保之后功率管的零电压开通，有效地减小开通损耗。
如图6所示，无线充电副边侧采取无源无损软开关Buck变换电路。个中DC是从松耦合变压器输出侧整流得到的直流电，S6为Buck变换电路主功率开关管，L3是储能电感，C5、C8是稳压电容，与D11、D12、D13、D14、C6、C7、L4共同组成无源无损电路。
该变换电路事情时，当功率管S6关断时，在C6和D11的浸染下功率管实现零电流关断，C6进行充电，C7、L4、L3和C8组成谐振电路，当功率管S6开通时，由于C6两端电压为0，故开关管S6可实现零电压开通。事情过程中，通过改变S1的占空比实现输出电压的调节。
3 仿真与实验结果剖析
3.1 仿真模型剖析
分别对Boost/全桥组合式软开关APFC电路和无源无损软开关Buck变换电路进行Simulik建模拟真。仿真条件为：输入220 V/50 Hz单相交流电，终极输出为直流3 kW/400 V。图7为Buck变换电路仿真的关键波形，从上到下依次为MOS管电流、MOS管电压、谐振电容C1电流、谐振电容C1电压、谐振电容C2电流和谐振电容C2电压波形。由仿真图形可以看出，由于谐振电路的浸染，实现了MOS管的零电压关断和零电流开通。终极得到输出电压和电流波形如图8所示。
由于缓冲电感和电容的存在，以是在输出波形初始阶段有一段震荡的过程，经由给电感和电容充能的过程，电压电流有一个先降后升的过程。由图中可以看出在经历短暂的缓冲之后，输出电压和电流便趋向稳定，输出功率也得到了担保。
3.2 实验验证
为验证理论剖析和仿真结果的精确性，设计并搭建了输出直流3 kW/400 V的实验平台。实验条件与仿真条件相同，输入端为220 V/50 Hz的单相工频互换电源，功率管选用SPW47N60C3，Boost变换电路的主功率管S1采取UC3854芯片进行掌握，全桥逆变功率管采取IR2113驱动芯片，Buck变换电路主功率管S6采取SG3525芯片掌握。
图9为全桥逆变电路功率管的驱动旗子暗记，旗子暗记频率为55 kHz，去世区韶光2 μs。
终极输出电压电流波形如图10所示。输出电压和电流波形稳定，事情状态良好。
4 结论
本文紧张研究了一种新型的电动汽车无线充电的拓扑构造和掌握策略，该构造采纳原副边双闭环掌握方案，相较于传统带有无线通信模块的无线充电构造可以免除无线通信模块，降落本钱并能减小车载无线充电模块的体积。没有无线通信模块后，免却了汽车与无线充电桩的旗子暗记配对过程，能够提高充电的连接效率，并且避免了不同厂家无线充电模块的不匹配性所带来的麻烦。采取双闭环掌握策略也使原副边的电压电流掌握更稳定，调节也更迅速。仿真和实验结果验证了该方案的可行性，并知足了电动汽车无线充电的哀求。
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