电动汽车无线反馈非接触充电电路设计

1 引言

    电动汽车采用的非接触充电系统(InductivelyCoupled Power Transfer，简称ICFT)，以电磁感应方式使初级线圈向次级线圈传输电能。将次级线圈安装在汽车底盘上，初级线圈安装在停车位的地面下，当电动汽车停靠到有固定车位的供电线圈装置上时，受电线圈即可接受电能，对电池充电。一般电动汽车可在3～6 h内完成充电。

    与有线充电方式相比，非接触充电系统具有充电智能化，且无需专人值守充电现场；充电不受天气、环境影响的优点。实验表明，非接触充电系统耦合系数较低，通常在0．13～0．2之间，负载两端的电压波动较大。这里给出一种具有无线反馈稳压功能的非接触供电电路，在不改变耦合系数的前提下，调节非接触供电电路H桥占空比，改变初级电路的输出功率，达到稳定输出电压的目的。

2 非接触供电电路原理

    非接触电路原理图如图1所示。该电路包括非接触供电电路和无线反馈电路两部分。非接触供电电路包括初级电路和次级电路；无线反馈电路包括检测及发射电路和接收及反馈触发电路，可同时实现智能控制和稳压功能。

    图1中，初级电路由功率开关管VS1～VS4构成全桥变换器电路，采用PWM控制芯片SG3525控制推挽电路产生控制脉冲，分别交替控制VS1，VS4和VS2，VS3的栅极，使L11两端产生交流电流，频率设定为30 kHz。

    L11，L12组成非接触耦合变换器。C1，C4为初、次级线圈的补偿电容，初级电源、初级变换器和初级线圈L31安装在地面下；次级线圈L12、次级变换器安装在汽车底盘内。初、次级之间电气隔离。

    VD1，VD2和C2，C3构成二倍压整流电路，经L2，C5滤波后给负载供电。

    在图1的等效电路中，全桥变换器H桥以前的电路可视为一个方波电压源，其内阻RS主要是供电电网计费电表以前的等效内阻。可见，使RL获得最大传输功率的必要条件是使初、次级电路处于谐振状态。根据此规律，通过理论计算和Pspice仿真，得到L11=10μH，L12=112μH，C1=1 nF和C4=0．1 nF。

3 无线反馈稳压及通讯电路原理
3．1 无线信号发射电路

    无线信号发射电路如图2所示。该电路由含有单片机的无线发射模块NRF24E1和外围电路构成。R1，R2构成电阻分压电路，R2两端的取样电压信号送入NRF24E1的模拟量输入端AIO，此端口具有A／D转换功能，将转换得到的数字信号发射给接收电路。当负载电压设定在24 V时，通过精确选择R1，R2比值，设定取样电压信号幅度为1 V。

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3．2 无线信号接收及反馈触发电路

    图3为无线信号接收及反馈控制电路。通过软件设定用于接收信号。无线模块收到数字信号后．再用芯片TLC5615实现D／A串行转换，将数字信号转化为约1V的模拟信号，并由第7引脚输出。将此模拟电压信号送至SG3525的1脚(误差放大器的反相输入端)。SG3525的16脚为5．1 V基准电压，经电阻精确分压，使SG3525的2脚(同相输入端)得到标准的1 V电压信号。SG3525通过实时比较1，2脚电压信号的差值，自动改变.11．14脚的输出脉冲的占空比，控制VS1～VS4，改变其占空比，从而调节传递到次级电路的功率，起到稳压的目的。

    此外，该电路还具有智能判断和自动处理功能：当汽车不在停车位时，信号接收电路收不到信号，非接触供电初级电路自动关闭，起到节能作用；通过对负载电压的检测自动判断蓄电池的充电程度，自动切换到浮充和停充状态。

4 实验结果与结论

    设计输入直流电压Udc=310 V(由市电整流得到)，输出直流电压Uo=48 V的电动汽车非接触充电电路，工作频率fs=30 kHz，负载为1 kVA，48 V的电动汽车专用蓄电池。实验结果如图4所示。

    由图4b可见，无线反馈的非接触充电电路的稳压效果较佳。通过磁场耦合仿真与实验，当初、次级线圈相距10 cm时，得到的感应耦合系数为0．15。经精确选择关键器件(L11，L12，C1，C4)规格，使电路处于较佳状态。

    电路除具有稳压功能外，还具有智能充电、欠过电压、过电流保护功能。当负载出现短路现象时，次级线圈两端的电压自动趋于零，起到自动保护的作用。