汽车无线自动定位充电装置系统的设计与探索

任健 姚静 巩建辉

摘 要：现阶段随着科学技术和生产力的发展，使得能源危机问题以及气候问题逐渐受到人们的重视。为此在汽车领域，将传统的燃油汽车转变为电动汽车，具有着良好的发展前景。在使用电动汽车的过程中，充电问题一直没有得到良好的解决，本文基于电动汽车进行无线自动定位充电装置系统进行详细的设计和研究，从而实现汽车的高效率运行。

关键词：无线自动定位 充电装置系统 拓扑结构 PFC电路设计

1 前言

现阶段，人们对于有效充电技术已经有了较为完善的研究，但是在有线充电领域至今还存在着诸多的缺陷，例如在使用过程中容易造成装置的损耗，同时还有着人员接触触电的可能性，无线充电技术可以很好的解决上述的问题，从而成为了当下最具热门的技术研究方向。

2 无线充电装置的拓扑结构以及工作原理

在进行汽车的无线充电过程中，其中交流电源需要通过整流滤波以及高频逆变之后，才可以有效的在发射线圈中产生具有高频的交流电流，从而可以在发射线圈的附近产生高频交变磁场。这样的形式下，就能够让在交变磁场当中的接收线圈产生相应的感应电流。这样的感应电流的出現，之后再通过谐波补偿、整流滤波的方式进行DC-DC的变换，之后实现对汽车的充电。下图1为无线充电装置拓部结构示意图。

因此在汽车上采用的无线充电设备，能够自动定位到一些特定地点的汽车，从而进行高效率的充电，同时不仅仅可以实现静态的充电，还能够对行驶中的汽车进行动态的充电[1]。

3 无线充电装置的电路设计

在进行无线充电装置的设计中，首先需要进行PFC电路、BUCK电路以及各种高频逆变电路和谐振补偿电路进行设计，使得具体的参数进行有针对性的调整。同时依据不同的类型进行器件的型号选择。在此之后还需要对系统的工作模式进行智能化处理。使得系统中的负载辨识算法进行合理的设计，最后再将控制器的设计完善。

3.1 PFC电路设计

在汽车的无线充电装置的设计中，需要能够在电网中获取到正弦波形式的交流电，之后再通过正弦波过桥时的整流电路进行有针对性的处理，使得最后可以得到具有波动性的直流电。但是这个过程中，在通过了整流桥之后的电流波会出现一定程度的变形，使得会出现数量众多的高次谐波。为此，要在存在着整流滤波的电路当中引入PFC电路，从而实现对电路功率因数的校正[2]。

所谓PFC电路，就是指功率因数校正，在其中的功率因数是通过输入有功功率同视在功率的比值得到的。具体公式如下：

PF=P1/S=UI1COS/Im=I1COS/（I12+I22+...+In2）-2

3.2 整流电路设计

在本研究当中，对于无线充电技术装置的设计，主要是将输出功率提升到2kW以上。为此依照系统当中的实际输出功率的64%进行设计，可以得出，在输入端口的实际功率为3.6kW。同时，为了提升电路的使用效果，从而降低对于电路的干扰因素，需要设计的系统能够依照3KW的输入功率进行器件的选择。下图2为整流桥的整体设计原理。

在系统的设计过程中，需要完成对电路功率的有效调节，从而实现对输出功率的稳定控制，进一步避免由于输出功率的较大波动为整体电路造成稳定性的威胁。但是只是一味的使用PFC电路来实现这两种功能，会由于这两方面有着相互耦合的作用，最终导致无法获取到合适的电路参数值，从而为系统的设计带来极大的影响。为此文本针对这一问题进行了优化处理，利用功能分开设计的方式，首先将功率因数用于对电路进行校正，从而实现对功率因数的调节工作，这样的方式能够 在电路中形成较为稳定的直流电压。之后再使用BUCK对电路的电压进行调节，从而能够保证输出功率的稳定性[1]。

3.3 BUCK电路硬件电路的设计

在对设计的PFC电路进行功率的因数校正之后，使得电路中的电流以及电压之间能够保持一致性，进而表明功率因数得到了很大的提升。并且，在接通了PFC电路之后，其电压的增幅数值也有了更高的提升。在汽车的无线充电系统当中，电路的输出功率同输入功率有着紧密的联系。因此为了保障有着相对稳定的功率输出，就需要能够依据PFC电路的输出侧进行电压的有效调节，之后便可以对电路当中的输出功率进行稳定的控制[2]。

在设计的PFC电路当中，能够实现对电压的实际调节，并且这一调节电压的过程是在BOOST电路当中实现的，但是出于BOOST电路当中还有着其他的功能，例如可以进一步减少波纹电压以及电流量的功能，使得一旦通过BUCK的电路来进行波纹和电压的具体调节，就会导致整个无线充电系统的混乱。因此在使用了PFC电路之后，还需要利用BUCK电路来辅助进行电压的调节，进而保障可以将功率进行稳定的控制。

具体的方式是充分利用通信模块，让二次侧的输出电压可以准确的传导到BUCK的电路当中，从而对电路进行有效的控制，之后再对BUCK的电路输出电压进行调节，从而稳定住恒功率。

并且本质上BUCK电路与PFC电路相同，都是对电流以及电压进行双闭环的管控，之后再利用双闭环的电势起到对PWM的控制，以此来稳定恒功率。

3.4 BUCK电路控制方式

在充电设备中的BUCK电路投入使用的时候，首先会导致电流过大，因此需要在系统当中为一些硬件进行强制性的保护措施。在设计的BUCK电路中，需要进行控制器设置，从而实现对输出电压以及输出电流大小的控制。之后再对BUCK电路当中输出电流以及输出电压进行调节和控制。但是由于输出电压同电动汽车之间的无线充电设备的实际功率有着紧密的联系，为此需要进一步加强对电压的和输出功率的控制，从而使其都保持稳定的状态。

同时，在BUCK电路当中，输出的电压需要进行电压隔离采样，之后再对实际电压进行数值的获取，之后再与期望的目标电压相减，从而得到相应的差值，将这个得到的差值输入到电流环控制器当中。之后便可以利用PWM的生成模块来实现对控制器所产生的输出信号进行转换，从而得到需要的PWM信号值。这样的信号之后便可以有效的利用在控制开关中的作用，来对起到对输出功率的控制作用。

3.5 高频逆变电路设计

在通过对PFC电路和BUCK电路进行优化处理之后，在整个无线充电系统当中，其输出功率能够针对实际情况来进行有针对性的调节，使之在电路当中具有一个相对稳定的电流电压。因此，为了使电能可以利用线圈成功的转化成磁场的能量，从而进行高效率的传播，这样的稳定的电流形式需要进行高频逆变电路的转化，从而形成稳定的高频交流电。

自激振荡式的高频逆变电路，能够以一种不受到外界驱动的形式进行自震荡，从而产生逆变电路。在这种电路的方式下，并不需要使用多余的驱动电路，以此这样的模式下可以很好的提升電路的效率。

所采用的自激振荡式的高频逆变电路，能够在不需要外加的驱动器情况下有效的将直流电转变为交流电，并且在使用的过程中也有着多种多样的形式。例如在使用的过程中，可以依据逆变所形成的不同波形进行分类，形成了非正弦和正弦自激振荡式的高频逆变电路。同时也可以依据不同的原理来进行分类，能够分成反馈型逆变电路以及负阻型的逆变电路。在这样的电路类型下，就不需要进行电路的实际控制，能够充分的利用自身电子管实现高频的逆变，因此在输出功率上，可以提升到百兆的效果。但是这样的形式也存在着一定的弊端，就是该电路的实际承载力相对较小，通常情况下只能够在一些有限的情况下使用。因此为了进一步的提升电路的功率，需要电路设计过程中，采用一些较大功率的电子管，但是这样的方法虽然可以达到较高的效率，但是会带来更高的损耗，并且一定程度上丧失了安全性能，因此并不能在汽车的无线定位充电技术当中应用。

3.6 谐振补偿电路设计

在进行汽车无线定位充电系统的设计过程中，为了尽可能的降低制造成本，同时需要将输出的功率控制在稳定的范围内，就需要进行串串谐振的补偿。一般来说，在进行一次侧需要进行串联补偿的过程中，其补偿的电容和线圈上，存在的器件都有着较大的电压，同时二者之间的电压和却相对较小，因此补偿的电容同一次侧线圈之上都需要承载着较大的电压，但是在逆变器的开关器方面，则没有过大的电压，为此一定程度上有效的提升开关管的使用周期，因此在一次侧的方面，需要采取串联补偿的方式。同时在二次侧的方面，也能够采用串联的补偿方式。同时经过计算可以得知，在负载两端所存在的实际压力值同负载之间有着较为紧密的联系。同时对工作频率、线圈间的互感以及原边电流存在着诸多的联系。因此在系统的设计方面，只有保障对这些因素的考虑，才有可能有效的提升系统电路的稳定性，进而实现汽车无线自动定位充电装置系统的高性能，保障充电的稳定性。

综上所述，在对于汽车无线自动定位充电装置系统的设计过程中，首先需要针对电路的各种类型进行详细的设计和分析，从而利用合理的电路设计来实现充电的稳定以及高功率，这样便使得电动汽车在充电环节的安全性和稳定性。

基金项目：2019年陕西省教育厅自然科学专项研究项目（项目编号19JK0266）。

参考文献：

[1]季乐乐.基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电技术的研究[D].安徽工程大学，2019.

[2]黄杰，聂蓉.基于单片机的电动汽车无线充电自动定位装置控制电路设计[J].轻工科技，2016，32（10）：26-27+41.