電動汽車無線充電控制系統(tǒng)電路模型基礎(chǔ)建立及設(shè)計案例1.1動態(tài)無線充電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)電動汽車動態(tài)無線電源充電控制系統(tǒng)主要可以分為信號發(fā)射端功率信號發(fā)射裝置和信號接收端功率信號接收發(fā)射裝置兩大組成部分,如軟件圖2.1所示。市電經(jīng)過高頻逆變器的驅(qū)動而形成高頻正弦波,補償自感網(wǎng)絡與高頻發(fā)射器及其線圈之間產(chǎn)生諧振,進而使高頻發(fā)射器及其線圈中波動而形成高頻正弦波。基于車載電磁電流傳感器的工作原理,接收器同時在兩個線圈中產(chǎn)生相同工作頻率的兩個高頻勵磁電流,經(jīng)過一個信號變換后,為兩個車載的供電負荷進行一個高頻供電。為了有效地避免額外較大功率的電路損耗及產(chǎn)生的電磁輻射等問題,通常都需要選擇一種稱為分段或者是多個發(fā)射器線圈相互連接的方式。因此,電動汽車在車輛鋪設(shè)不帶發(fā)射充電線圈的城市道路高速行駛充電過程中,能夠輕松實現(xiàn)車載動力電池的自動在線實時充電,減少車輛等待充電時間。。圖1.1動態(tài)無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.2無線電能傳輸基本構(gòu)成磁耦合諧振式傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1.2所示。一次側(cè)高頻電源的主要的作用就是用來產(chǎn)生高頻電壓。為了在線圈尺寸一定的條件下提高系統(tǒng)傳輸能力就必須提高電源頻率,通常而言就是把電網(wǎng)的交流電經(jīng)濾波器整流成直流后,再經(jīng)高頻逆變器的轉(zhuǎn)換來獲得滿足要求的高頻交流電。圖1.2磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.3線圈互感等效模型無線電充電系統(tǒng)由發(fā)射線圈和接收線圈組成，兩個線圈之間相互作用的距離相對較大,因此這兩個線圈之間的耦合作用效應系數(shù)相對較低。一般來說，電動汽車內(nèi)在耦合變壓器線圈內(nèi)的漏感很大,因此同時將信號發(fā)射到的線圈和同時將信號接受到的線圈之間可以相當于一個松散或耦合式變壓器。根據(jù)耦合電路設(shè)計理論我們可以直接建立此松散式耦合電源變壓器的互感電壓模型如下圖1.1.1所示,其中表示發(fā)射線圈兩端的互感電壓，為接收線圈兩端的互感電壓,為發(fā)射線圈兩端的自感，為接收線圈兩端的自感,表示兩個線圈的互感,和為輸出發(fā)射接收線圈和承受接收作用線圈內(nèi)的電阻,為發(fā)射線圈輸出電流，為接收線圈的輸出電流。圖1.1.1互感模型圖1.1.1所示的互感模型中，線圈之間由磁耦合諧振作用其互感可以等效為大小為和的交流源，該電路模型如圖1.1.2所示。圖1.1.2互感等效電路模型根據(jù)互感等效電路模型，可得回路方程：（3-3-1）定義為二次側(cè)阻抗之和，二次側(cè)電流可表示為：（3-3-2）一次側(cè)的電壓源表示為：（3-3-3）因此一次側(cè)的電壓源可以等效為反射阻抗的阻抗值，其值大小為：（3-3-4）1.4無線充電系統(tǒng)的電路設(shè)計1.4.1前言電動汽車在使用時期必須要保持穩(wěn)定的電壓輸出，同時滿足諧振系統(tǒng)得一直處于工作狀態(tài)這兩個要求，本次畢業(yè)設(shè)計將會采用電動汽車無線直流充電自動控制管理系統(tǒng)，利用Buck變換器控制輸出功率和鎖相環(huán)跟蹤系統(tǒng)自然諧振頻率。對系統(tǒng)的工作原理進行分析同時對相關(guān)電路過程進行了模擬電路設(shè)計,并在Matlab等應用軟件中對以上所有已經(jīng)設(shè)計好的系統(tǒng)電路設(shè)計過程進行了模擬和仿真的實驗分析。1.4.2.設(shè)計指標本次設(shè)計將會利用到如下設(shè)計指標：輸入電壓；輸出電壓;最大輸出功率；輸出電壓紋波；開關(guān)頻率；充電距離：15cm；效率：不低于80%1.4.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)電動汽車的無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1.6.3所示。整個控制系統(tǒng)的主要組成由主電路和控制電路兩大組成。圖1.4.3電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.4.4主電路參數(shù)分析計算電動汽車主電路基本設(shè)計框圖如圖1.4.4（1）所示，本次設(shè)計采用基波分析法對電路主要參數(shù)分析，由于設(shè)計中二次諧路信號品質(zhì)因素很高，同時一次側(cè)和二次側(cè)輸出電流為正正弦波，于是基波分析法能夠很好的對參數(shù)進行分析。圖1.4.4（1）主電路基本結(jié)構(gòu)圖本文設(shè)計的無線充電系統(tǒng)采用恒壓充電方式，充電電壓為,電池等效電阻為，充電電流為二次側(cè)諧振電路輸出電壓為幅值為的方波的基波分量。對此方波進行傅里葉分解后，可得是整流后電流的平均值，二者關(guān)系為因此流過接收線圈電流的有效值為在文中1.1.1的SS補償拓撲電路等效模型中，負載為加入輸出整流濾波電路后的等效負載，負載等效電路模型如圖1.4.4（2）所示圖1.4.4（2）負載等效電路模型等效負載與負載電阻之間的關(guān)系可表示為：根據(jù)上面公式，可以得到一次側(cè)諧振兩端電壓為：流過發(fā)射線圈電流有效值為：逆變器母線電流為：輸入整流濾波輸出電壓電流為：1.5主電路硬件電路設(shè)計1.5.1輸入整流濾波電路設(shè)計選用不控單相整流橋轉(zhuǎn)換為直流電，如圖1.5.1所示圖1.5.1輸入整流濾波電路輸入電壓經(jīng)整流濾波后的平均值為；假設(shè)系統(tǒng)傳輸效率為90%，最大輸入功率為；則整流橋輸出電流為；流過單個二極管電流的平均值為；輸入電壓的峰值為整流二極管耐壓值應取輸入電壓峰值的1.5倍，為選擇整流橋型號為GBJ2508，其承受最大反向電壓為1000V，最大正向電流為25A。整流橋輸出采用電容濾波，濾波電容等效阻值為工程中一般取電容值為為減小電路接通時的電流沖擊,選取4只560電容并聯(lián)。1.5.2DC-DC變換器設(shè)計DC-DC變換器采用Buck變換器結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計中DC-DC變換器的作用主要是通過調(diào)節(jié)輸出電壓來達到對系統(tǒng)的輸出功率進行很好的控制。為了減少二極管在通斷時尖峰電壓會對二極管產(chǎn)生損耗，如果在電路中加入一個RCD吸收電路對尖峰電壓進行吸收，那么開關(guān)管和續(xù)流二極管就能夠有效避免這些損耗，加入RCD吸收電路后的Buck電路結(jié)構(gòu)如圖1.5.2（1）所示。圖1.5.2（1）加入RCD吸收電路后電路結(jié)構(gòu)無線電充電時大部分時間應使BUCK變換器工作在CCM（電感電流連續(xù)模式）模式下，CCM模式的工作波形如圖1.7.2（2）所示。圖1.5.2（2）CCM模式的工作波形當時，開關(guān)管Q導通，電流流經(jīng)開關(guān)二極管和電感向負載供電。若忽略開關(guān)管的導通期間的壓降，導通期間電感兩端電壓為，流過電感的電流為在這段時間內(nèi)電感電流從最小值開始線性增加，直到時達到最大電流值。在此期間電感電流的增量為當時，開關(guān)管Q關(guān)斷，續(xù)流二極管導通，電流流經(jīng)續(xù)流二極管和電感向負載供電。若此時忽略二極管的導通壓降，開關(guān)管關(guān)斷期間電感兩端電壓，流過電感的電流為在這段時間內(nèi)電感電流沿著最大值開始逐漸線性地減少，直到時達到最小值。在此期間電感電流的減少量可以表示為通常根據(jù)臨界電感來選取L值，此時電感值為其中為占空比。本系統(tǒng)中變換器輸入電壓，最小占空比為0.25，開關(guān)頻率為20kHZ,最終選擇續(xù)流電感值為0.8mH。1.5.3高頻逆變電路設(shè)計有序需要將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電,所以本次設(shè)計會利用到高頻逆變換電路，逆變轉(zhuǎn)換電路可以分為全頻逆變電路和半橋逆變電路兩種形式。本次設(shè)計根據(jù)所需要的電壓等級,將會采用全橋逆變電路結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的高頻逆變電路如圖1.5.3（1）所示。圖中,為逆變器開關(guān)管，為開關(guān)管的反并聯(lián)二極管，為開關(guān)管的結(jié)電容。圖1.5.3（1）高頻逆變電路本次設(shè)計采用軟開關(guān)狀態(tài)方便減少開關(guān)通時的損耗。由于電路中滯后的相位角非常小，可以忽略不計，故而可以將諧振電路默認為工作在諧振狀態(tài)。在一個諧振周期內(nèi)，逆變器包含了六個諧振工作狀態(tài)，這六個工作狀態(tài)均是不同的。其工作波形如圖1.5.3（2）所示。其中為開關(guān)管和的觸發(fā)脈沖波形，為開關(guān)管和的觸發(fā)器脈沖波形。圖1.5.3（2）逆變器工作波形1.6輸出整流濾波電路設(shè)計輸出整流濾波電路用于將二次側(cè)諧振電路輸出的高頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電供給負載，如圖1.6所示圖1.6輸出整流濾波電路二次側(cè)諧振電路輸出電壓的有效值為，因此單個二極管所承受的最大反相電壓為充電電流最大為，流過單個二極管電流的平均值為二次側(cè)諧振電路輸出電流的頻率為,選擇型號為快恢復二極管，額定反向耐壓值為，允許通過的最大電流為。根據(jù)設(shè)計指標，輸出電壓紋波系數(shù)應小于，輸出電容的計算公式為:通過計算選取輸出濾波電容值為。1.7功率控制及驅(qū)動電路設(shè)計1.7