电动汽车无线反馈非接触充电电路设计

摘要：给出一种具有无线反馈全桥非接触电动汽车充电电路。非接触充电电路初级线圈向电动汽车底盘上的次级线圈传递电能。无线反馈电路将负载电压的取样信号无线反馈到非接触充电电路中初级电路的控制端，通过系统自动调节，改变初级电路全桥变换器的占空比，使输出功率稳定在设定值。此外，该电路还具有智能检测电池电量、自动投入充电、浮充和停充功能。仿真与实验证明了电路的可行性。
关键词：电动汽车；非接触供电；无线反馈

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。

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。