0 引言

    發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)是節(jié)能、環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的需要，電動(dòng)汽車(chē)的充電裝置相當(dāng)于汽車(chē)燃料的加注站，當(dāng)國(guó)內(nèi)開(kāi)始大張旗鼓地建設(shè)有線充電樁和充電站時(shí)，無(wú)線供電已在國(guó)外開(kāi)始興起，是未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)供電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)^[1-3]。

    目前關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)線充電，較為普遍的解決方案如圖1所示^[4-5]。充電裝置的發(fā)射端埋設(shè)在充電場(chǎng)所的地面，接收端設(shè)置在車(chē)輛底部。充電裝置主要由松耦合變壓器和充電電路兩部分組成。發(fā)射端與接收端之間存在能量傳輸通道和信息傳輸通道，用于電能傳輸和反饋信號(hào)的回傳。發(fā)射端的電流與接收端的電壓形成閉環(huán)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋電路中，原邊側(cè)電流反饋電路與控制電路都處于系統(tǒng)的原邊側(cè)，對(duì)于反饋信號(hào)的傳遞不存在問(wèn)題。而負(fù)載側(cè)電壓反饋電路處于系統(tǒng)的副邊側(cè)，要將反饋信號(hào)傳回控制電路，信號(hào)必須跨過(guò)松耦合變壓器。在完成非接觸式電能傳輸?shù)耐瑫r(shí)，控制回路也要設(shè)計(jì)相應(yīng)的無(wú)線信號(hào)傳輸電路來(lái)完成閉環(huán)反饋控制，由此給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作帶來(lái)了許多不便^[6-8]。

    為了解決傳統(tǒng)閉環(huán)控制方案中需要無(wú)線傳輸反饋信號(hào)的缺點(diǎn)、降低充電時(shí)的電網(wǎng)側(cè)諧波畸變、提高功率因數(shù)^[9]，并滿(mǎn)足電池側(cè)的輸出電壓可控、輸入電壓寬適應(yīng)性，電網(wǎng)側(cè)和電池側(cè)采取隔離式開(kāi)環(huán)控制。本文針對(duì)當(dāng)前的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)的控制策略進(jìn)行了改進(jìn)。發(fā)射端和接收端分別采取閉環(huán)控制，取消了傳統(tǒng)裝置的信息傳輸通道的反饋信號(hào)的閉環(huán)控制，采取一種開(kāi)環(huán)控制的方式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1 新型無(wú)線充電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    該無(wú)線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。主電路包括AC/DC整流模塊、松耦合變壓器模塊、DC/DC變換模塊等部分。AC/DC模塊采用的是Boost/全橋組合式軟開(kāi)關(guān)諧振PFC變換電路，DC/DC模塊采用的是Buck變換電路。下面將分別對(duì)AC/DC模塊和DC/DC模塊的原理和控制策略進(jìn)行分析和闡述。

    PWM整流電路是采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，它能在不同程度上解決傳統(tǒng)整流電路存在的問(wèn)題。把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過(guò)對(duì)PWM整流電路進(jìn)行控制，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，則功率因數(shù)近似為1，因此PWM整流電路也稱(chēng)單位功率因數(shù)變流器。對(duì)于中、大功率PWM整流電路均采用單相或三相橋式結(jié)構(gòu)，而對(duì)于小功率整流電路多采用單相不控整流加一級(jí)直流變換電路以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正。本系統(tǒng)中采用的就是含Boost APFC的PWM整流電路。

    松耦合變壓器是無(wú)線充電系統(tǒng)的能量交換通道，本文主要以無(wú)線充電系統(tǒng)的控制策略研究為主，松耦合變壓器采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。DC/DC模塊部分是接在松耦合變壓器副邊側(cè)的變換電路，主要對(duì)從松耦合變壓器接收到的電流進(jìn)行整流和DC/DC變換，因?yàn)樵厒?cè)采用的是Boost升壓電路，為了保持最終輸出電壓的穩(wěn)定和調(diào)控，副邊側(cè)采用了無(wú)源無(wú)損Buck變換電路。

1.2 控制策略

    如圖3所示，交流輸入電壓經(jīng)二極管橋式不控整流后，再經(jīng)過(guò)Boost DC/DC變換電路，通過(guò)相應(yīng)的控制使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨整流電壓基準(zhǔn)值，可獲得較高的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，并保持輸出電壓穩(wěn)定。APFC電路有兩個(gè)反饋控制環(huán):輸入電流環(huán)使DC/DC變換器輸入電流為全波整流波形，并且與全波整流電壓波形相位相同；輸出電壓環(huán)使DC/DC變換器輸出端為一個(gè)直流穩(wěn)壓源，達(dá)到直流電源的穩(wěn)壓效果。

    如圖4所示，在松耦合變壓器副邊側(cè)，經(jīng)過(guò)D₉、D₁₀的整流后接Buck變換電路，以輸出電壓和電流為反饋形成雙閉環(huán)控制，本方案中電感L₃工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，因?yàn)锽uck變換器的穩(wěn)態(tài)輸出平均電壓與占空比D成正比，因此，最終的輸出穩(wěn)態(tài)電壓可由功率管S₆的占空比控制。

2 模態(tài)分析

    如圖5所示，無(wú)線充電原邊側(cè)采用Boost/全橋組合式軟開(kāi)關(guān)PFC變換電路。其中L₁為儲(chǔ)能電感，S₁為Boost變換器的主功率開(kāi)關(guān)管，L₂、D₅、D₆、D₇、D₈、C₁、C₂、C₃與S₁、L₁共同組成無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)。其工作原理為，當(dāng)MOS管S₁關(guān)斷時(shí)，在D₆、C₂的作用下，MOS管實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，當(dāng)MOS管S₁開(kāi)通時(shí)，C₁、C₂和L₂組成諧振網(wǎng)絡(luò)，將C₁中的能量轉(zhuǎn)移到C₂中，且因?yàn)長(zhǎng)₂的存在，D₅的反向恢復(fù)被抑制，MOS管是零電流開(kāi)通。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有電阻性的損耗元件，能量沒(méi)有損失，效率較高。

    該變換器工作時(shí)，Boost級(jí)升壓電感L₁工作在CCM模式下，開(kāi)關(guān)S₁受閉環(huán)控制，以一固定頻率f₁進(jìn)行開(kāi)斷，采用平均電流法控制其占空比，以實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓和輸入PF控制。S₂、S₃、S₄、S₅為全橋逆變四個(gè)橋臂，S₂、S₅與S₃、S₄以一定的死區(qū)時(shí)間互補(bǔ)導(dǎo)通，并以一定的頻率 f₂交替開(kāi)通，形成一個(gè)固定的工作周期。這兩組功率管的驅(qū)動(dòng)有著充分的死區(qū)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，變壓器漏感要有足夠的能量抽取光將要開(kāi)通的功率管兩端諧振電容的電荷，并給關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管的諧振電容充電，以保證之后功率管的零電壓開(kāi)通，有效地減小開(kāi)通損耗。

    如圖6所示，無(wú)線充電副邊側(cè)采用無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Buck變換電路。其中DC是從松耦合變壓器輸出側(cè)整流得到的直流電，S₆為Buck變換電路主功率開(kāi)關(guān)管，L₃是儲(chǔ)能電感，C₅、C₈是穩(wěn)壓電容，與D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、C₆、C₇、L₄共同組成無(wú)源無(wú)損電路。

    該變換電路工作時(shí)，當(dāng)功率管S₆關(guān)斷時(shí)，在C₆和D₁₁的作用下功率管實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，C₆進(jìn)行充電，C₇、L₄、L₃和C₈組成諧振電路，當(dāng)功率管S₆開(kāi)通時(shí)，由于C₆兩端電壓為0，故開(kāi)關(guān)管S₆可實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。工作過(guò)程中，通過(guò)改變S₁的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 仿真模型分析

    分別對(duì)Boost/全橋組合式軟開(kāi)關(guān)APFC電路和無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)Buck變換電路進(jìn)行Simulik建模仿真。仿真條件為：輸入220 V/50 Hz單相交流電，最終輸出為直流3 kW/400 V。圖7為Buck變換電路仿真的關(guān)鍵波形，從上到下依次為MOS管電流、MOS管電壓、諧振電容C₁電流、諧振電容C₁電壓、諧振電容C₂電流和諧振電容C₂電壓波形。由仿真圖形可以看出，由于諧振電路的作用，實(shí)現(xiàn)了MOS管的零電壓關(guān)斷和零電流開(kāi)通。最終得到輸出電壓和電流波形如圖8所示。 

    由于緩沖電感和電容的存在，所以在輸出波形初始階段有一段震蕩的過(guò)程，經(jīng)過(guò)給電感和電容充能的過(guò)程，電壓電流有一個(gè)先降后升的過(guò)程。由圖中可以看出在經(jīng)歷短暫的緩沖之后，輸出電壓和電流便趨向穩(wěn)定，輸出功率也得到了保證。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為驗(yàn)證理論分析和仿真結(jié)果的正確性，設(shè)計(jì)并搭建了輸出直流3 kW/400 V的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)條件與仿真條件相同，輸入端為220 V/50 Hz的單相工頻交流電源，功率管選用SPW47N60C3，Boost變換電路的主功率管S₁采用UC3854芯片進(jìn)行控制，全橋逆變功率管采用IR2113驅(qū)動(dòng)芯片，Buck變換電路主功率管S₆采用SG3525芯片控制。

    圖9為全橋逆變電路功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，信號(hào)頻率為55 kHz，死區(qū)時(shí)間2 μs。

    最終輸出電壓電流波形如圖10所示。輸出電壓和電流波形穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

    本文主要研究了一種新型的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，該結(jié)構(gòu)采取原副邊雙閉環(huán)控制方案，相較于傳統(tǒng)帶有無(wú)線通信模塊的無(wú)線充電結(jié)構(gòu)可以免除無(wú)線通信模塊，降低成本并能減小車(chē)載無(wú)線充電模塊的體積。沒(méi)有無(wú)線通信模塊后，省卻了汽車(chē)與無(wú)線充電樁的信號(hào)配對(duì)過(guò)程，能夠提高充電的連接效率，并且避免了不同廠家無(wú)線充電模塊的不匹配性所帶來(lái)的麻煩。采用雙閉環(huán)控制策略也使原副邊的電壓電流控制更穩(wěn)定，調(diào)節(jié)也更迅速。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的可行性，并滿(mǎn)足了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭宗芝.應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2] 曹玲玲，陳乾宏，任小永，等.電動(dòng)汽車(chē)高效率無(wú)線充電技術(shù)的研究進(jìn)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(8)：1-13.

[3] 黃學(xué)良，譚林林，陳中，等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013(10)：1-11.

[4] BUDHIA M，BOYS J T，COVIC G A，et al.Development of a single-slided flux magnetic coupler for electric vehicle IPT charging systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60(1)：318-328.

[5] MILLER J M，ONAR O C，CHINTHAVALI M.Primary-side power flow control of wireless power transfer for electric vehicle charging[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electroncics，2015，3(1)：147-162.

[6] SHIN J，SHIN S，KIM Y，et al.Design and implementation of shaped magnetic-resonance-based wireless power transfer system for roadway-powered moving electric vehicles[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(3)：1179-1192.

[7] 任曉峰.電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)的研制及性能優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[8] 李陽(yáng)，楊慶新，閆卓，等.無(wú)線電能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28(1)：106-112.

[9] 李斌，劉暢，陳企楚，等.電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電技術(shù)[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32(1)：81-84.

作者信息:

劉新天，秦穩(wěn)穩(wěn)，鄭昕昕

（合肥工業(yè)大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究院，安徽 合肥230009）