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电动汽车无线充电系统设计方法研究

作者:焦来磊 荆蕾时间:2017-06-28来源:电子产品世界
编者按:本文提出了一种基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电系统的设计方法。首先介绍了磁耦合谐振式无线充电技术的传输机理;其次提出系统的整体设计结构、DC-DC斩波电路和单相全桥逆变电路的设计方法;再次,设计了三段式电池充电管理系统;最后完成以ARM单片机为控制核心的系统设计。实验证明,该系统具有优异的充电性能和广泛的可推广性。

作者 焦来磊1 荆蕾2 1.中惠创智无线供电技术有限公司(山东 烟台 264000)2.烟台大学文经学院信息工程系(山东 烟台 264000)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201706/361127.htm

摘要:本文提出了一种基于系统的设计方法。首先介绍了技术的传输机理;其次提出系统的整体设计结构、DC-DC斩波电路和单相全桥逆变电路的设计方法;再次,设计了三段式电池充电管理系统;最后完成以ARM单片机为控制核心的系统设计。实验证明,该系统具有优异的充电性能和广泛的可推广性。

引言

  自从2007年美国麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic教授等人利用技术成功地在2m外点亮一只60W的灯泡[1-2],无线电能传输技术(wireless power transfer,WPT)开始得到世界研究机构越来越多的关注。

  目前,WPT技术主要有3种,即电磁辐射式、电磁感应式和磁耦合谐振式。辐射式无线电能传输[3]利用远场进行传输,其传输距离远大于传输装置的几何尺寸,但是其定向性较差,且传输功率一般比较小。电磁感应式无线电能传输机理[4]类似于可分离变压器,只有在较短的距离下才能实现较大功率和较高效率的传输。而磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT)利用谐振原理,使其在中等距离传输时,仍能得到较高的效率和较大的功率,并且电能传输不受空间非磁性障碍物的影响[5]。MCR-WPT在传输距离、传输功率以及传输效率上均衡的性能表现,使其特别适用于领域[6-7]

1 系统理论分析

  系统采用串联-串联式谐振结构,等效电路如图1所示。其中,Us为高频交流电源,Cp、Cs分别为原、副边谐振电容,Lp、Ls分别为原、副边线圈自感,M为原副边线圈之间的互感,R为负载电阻,Ip、Is分别为原、副边电流,ω0为系统谐振频率,Rp、Rs为线圈等效内阻,ZL为电池等效内阻。

  根据互感耦合模型,得到单负载系统等效电路的状态方程:

  系统传输效率为:

(6)

  由式(5)可知,系统输出功率主要由初级绕组内阻和次级反映阻抗的实部、虚部共同决定,其中涉及包括工作频率、谐振电容、电感、内阻等一系列参数。 由式(6)可知,系统传输效率由初级侧内阻和次级反映阻抗实部共同决定。随着反映阻抗实部RP-S的逐渐增大,传输效率也在逐渐增大。

2 系统整体设计

  系统的整体结构框图如图2所示,系统采用220V、50Hz交流电源供电,经全桥不控整流电路、DC-DC降压斩波电路和高频全桥逆变电路,与发射端谐振电容和发射线圈连接,接收线圈在谐振磁场中产生高频感应电压,经整流电路转化为直流电,给蓄电池充电。车载充电机通过蓝牙模块与电能发射端通信,通过实时控制DC-DC直流斩波电路输出电压,调整电池充电功率。

3 系统主电部分电路设计

3.1 DC-DC斩波电路设计

  DC-DC调压电路主要有BUCK、BOOST、CUK等电路结构。本文采用BUCK降压斩波电路:降低逆变电路输入电压,提升逆变电路电流幅值,容易检测电流变化情况,虽然线损与其他电路相比有一定提高,但与系统输出功率等级相比提升极其微小。BUCK电路具有电路结构简单、效率高,纹波可调节,动态性能好等优势,因此,本系统采用BUCK电路做为DC-DC环节的主电路拓扑。

3.2 全桥逆变电路设计

  工程中常用的逆变电路主要有:全桥逆变电路和半桥逆变电路。全桥逆变电路的功耗元件是半桥逆变电路的两倍,所以整个电路的功耗也近似是半桥逆变电路功耗的两倍,但是全桥逆变电路的电压等级却比半桥逆变电路要高,考虑到电源电压的功率等级,选择全桥逆变电路为系统原边电路的高频逆变单元。



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