基于WPT的電動汽車雙向充電器主電路拓撲結(jié)構(gòu)研究

余岳，汪紅霞

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲，412006）

0 引言

國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，2010~2015年是電動汽車產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵5年。相關(guān)研究表明，2016年是電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的拐點，電動汽車發(fā)展進入高速成長期。大量的車輛充電將帶來新一輪的負荷快速增長，以每輛車配置12kWh電池計算，這些電動汽車日充電所用電量約為336萬kWh(按0.8同時率計算)，這對用電負荷峰谷差日益加大的電力系統(tǒng)而言，增加了巨大的發(fā)、輸、配電壓力。

與此同時，人類面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，環(huán)境和能源問題已日益成為全球的突出問題之一。如何有效地利用現(xiàn)有能源，已引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。新型的電能存儲和傳輸技術(shù)，如飛輪電池、超級電容和無線電能傳輸技術(shù)(Wirelss Power Transmission，WPT)等是實現(xiàn)能源高效利用的重要途徑。WPT在電動汽車、航空航天、電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電、醫(yī)療儀器、照明、便攜式通訊設(shè)備等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著材料學(xué)、電力電子器件、功率變換和控制技術(shù)的發(fā)展，WPT的應(yīng)用已逐步成為現(xiàn)實，受到了越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)的電氣設(shè)備都是通過插頭或插座等電連接器的接觸進行供電。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導(dǎo)線，很容易產(chǎn)生接觸火花，影響供電的安全和可靠性，縮短電氣設(shè)備的使用壽命。同時，差的電氣接觸連接會增加接觸電阻，造成高溫引起火災(zāi)，電氣開關(guān)還會引起拉弧的危險。

本文旨在將WPT應(yīng)用于現(xiàn)有的雙向開關(guān)型AC/DC變換器，構(gòu)建適用于V2G系統(tǒng)下的電動汽車無線雙向充電裝置，不僅可以減少線纜的使用，防止線路年久失修造成的纏繞、老化，還可以防止雨水侵蝕，防止漏電等安全事故，使V2G系統(tǒng)更加安全、智能便捷，做到電動汽車的隨走隨充、隨停隨饋，實現(xiàn)能源利用效率的最大化。

1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

基于無線電能傳輸?shù)碾妱悠囯p向充電器中，交流輸入電壓經(jīng)二極管整流變換成直流電壓直流斬波電路根據(jù)輸出負載功率要求控制全橋逆變器輸入端直流電壓，經(jīng)全橋逆變電路變換成高頻方波電壓輸送給電磁耦合無線電能傳輸發(fā)射端，諧振補償電容和發(fā)射繞組電感形成發(fā)射端諧振回路，通過電磁耦合，在接收端回路諧振補償電容和接收繞組形成電磁共振，接收端的電能經(jīng)輸出整流變換成直流電壓，提供給電池充電。控制部分分為直流電壓控制和逆變器頻率跟蹤控制兩部分。直流電壓控制采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，逆變器頻率跟蹤采用鎖相環(huán)電壓電流相位控制技術(shù)，當(dāng)發(fā)射端和接收端諧振回路參數(shù)變化時，及時改變逆變頻率，保持逆變器輸出電壓和電流的相位穩(wěn)定在逆變電路允許的最小相位角，功率因數(shù)最大。控制電路由電壓電流檢測電路、斬波驅(qū)動電路、逆變電流檢測電路、頻率跟蹤和逆變控制電路、逆變驅(qū)動電路等組成。

圖1 基于WPT的雙向充電樁主電路拓撲結(jié)構(gòu)

WPT雙向充電器目標(biāo)功率為500W，因此開關(guān)器件考慮使用MOSFET，主電路采用對稱H橋模式。高頻電源是無線電能傳輸系統(tǒng)中必不可少的部分，其性能參數(shù)和輸出波形穩(wěn)定度和失真度將直接影響整個系統(tǒng)的特性。目前無線電能傳輸高頻電源主要有兩種實現(xiàn)方法，一種是利用功放將信號功率進行放大實現(xiàn)，另一種是利用電力電子器件通過全橋逆變或半橋逆變實現(xiàn)；前者信號發(fā)生電路實現(xiàn)調(diào)頻也很方便，但是設(shè)備成本比較高，后者可實現(xiàn)較大功率，受電力電子器件開關(guān)頻率的限制，電源頻率一般不會很高，一般在幾百kHz以內(nèi)，通過對MOSFET開關(guān)控制可方便實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。由于電動汽車無線充電系統(tǒng)工作頻率在數(shù)千赫茲級別，且需要輸出功率大，因此大容量高頻電源采用整流逆變方式。

電源采用交-直-交的變頻結(jié)構(gòu)。220V電源經(jīng)降壓變壓器和主接觸器后，送入整流器，整流器采用單相相MOSFET全控整流橋，通過MOSFET的導(dǎo)通，達到調(diào)節(jié)電源輸出功率的目的，整流后的直流電壓經(jīng)濾波環(huán)節(jié)送入高頻逆變環(huán)節(jié)，經(jīng)由高頻逆變環(huán)節(jié)逆變產(chǎn)生單相高頻電流送入諧振電路，經(jīng)能量發(fā)射繞組輸出高頻能量。

逆變控制環(huán)節(jié)主要功能為實現(xiàn)負載頻率自動跟蹤、逆變器啟動、為逆變器功率器件提供可靠的驅(qū)動脈沖以及與整流側(cè)控制配合，在設(shè)備內(nèi)部或外部出現(xiàn)異常時，通過控制整流橋輸出電壓以確保電源安全。

逆變控制環(huán)節(jié)從負載取出頻率信號，經(jīng)過零比較電路獲得自激信號，逆變工作前，由于負載上電壓、電流均為零，因此無法獲得啟動時所需的自激信號，本高頻電源采用他激啟動，逆變環(huán)節(jié)啟動后，當(dāng)電源輸出電壓達到一定值時，電平檢測電路輸出翻轉(zhuǎn)，是電子開關(guān)輸出由他激信號轉(zhuǎn)換成自激信號，從而完成逆變器的啟動。

2 結(jié)論

圖1拓撲結(jié)構(gòu)適用于無線電能傳輸，也可以保證能量雙向流動實現(xiàn)V2G或者V2M，是WPT雙向充電器的電路拓撲首選。從工程的角度考慮，可以全橋逆變器既可以選取如圖1所示的IGBT，在小功率等級時，也可以改為MOSFET。

參考文獻

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