电动汽车高效无线充电控制系统的教学实验装置设计

【摘要】本文基于我国“双碳”战略分析无线充电系统的电源与负载存在的问题，论述磁场耦合的无线充电系统的四种基本结构类型，提出主电路参数、双路电流负反馈控制器、DSP控制器的软件系统等优化设计思路，为中职学校汽车新能源专业的教学提供了新的路径。

【关键词】电动汽车 汽车新能源专业 高效无线充电 教学实验装置 优化设计

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）08-0134-05

我国“双碳”战略的提出，使得电动汽车得到广泛使用。电动汽车的推广需要充电站等大量配套设施，不仅占地面积大，而且存在导线直接连接产生的绝缘可靠性低、接头变形老化、接触间隙产生电火花等问题，安全隐患很大。随着无线电能传输技术的发展，无线充电在电动汽车领域的应用是当前的热门研究课题。无线充电系统的电源与负载是基于电磁能，这样可以解决因导线直接连接而产生的安全隐患，具有结构简单、成本低、方便安全等优点。

目前，市场上主要使用的无线充电系统是磁场耦合无线充电系统，其主要有S-S，S-P，P-S，P-P四种基本结构类型，还包括一些高阶补偿结构。在这四种基本结构中，S-S型系统具有结构简单、成本低，效率高、输出恒流等特点，但这一系统的主电路参数计算尚无较好的方法，当参数选择不合理时，会显著降低传送效率。另外，由于这一系统只是以充电电压和电流作为反馈控制信号，当停车位置不准时就会出现发送端（地面）的发送线圈和接收端（车内）的接收线圈耦合系数过度降低的现象，导致发送线圈电流急剧增大、功率开关管过流烧毁的问题。采用高阶补偿结构可以避免这一系统存在的发送线圈过流问题，但高阶补偿结构的无线充电系统需要增加电感器数量，这无疑会加大充电系统的体积，增加成本，同时电感内阻消耗较多的有功功率，这也会导致充电系统传输效率的降低。

针对上述问题，同时结合中职新能源汽车专业教学需求，笔者提出了一种基于DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）的高效S-S型磁场耦合无线充电控制系统，并就其教学实验装置设计进行分类讲解，以便于专业学生学习。这一新型无线充电控制系统通过推导主电路参数约束条件，对主电路参数进行优化，同时引入互相独立的双路负反馈，在发送端引入发送线圈电流负反馈，从而限制发送线圈电流的最大值，有效解决了S-S型无线充电系统存在的问题。以下，笔者主要阐述高效S-S型磁场耦合无线充电控制系统的教学实验装置设计方法，并就设计方案进行了测评。

一、关于主电路参数的优化设计

二、基于DSP的双路电流负反馈控制器的设计

电动汽车无线充电系统在实际运用中有两个不可忽视的问题，一是由于每次的停车位置不可能完全相同，导致发送端绕组和接收端绕组的耦合系数K有较大变化；二是在充电过程中蓄电池电压会有较大的变化，导致系统的等效负载电阻RL也会随之变化。由前文（5）式和（6）式可知，当K和RL两个参数都在变化时，由发送端的电流（I1）和电压（U1）并不能确定接收端的电流（I2）；反之，由接收端的电流（I2）和电压（U2）也不能确定发送端的电流（I1）。所以，在电动汽车无线充电系统中必须同时采用互相独立的双路电流负反馈控制：一个是接收端的充电电流调节器，用于控制蓄电池的充电电流；另一个是发送端的发送线圈电流调节器，用于在系统故障或耦合系数变小时，限制发送线圈的电流。两个调节器的输出移相控制角为[θ1]、[θ2]，取最小函数的最小值作为逆变移相控制。按照上述思路设计的电动汽车无线充电系统如下页图2所示。

（一）接收端充电电流调节器的设计

（二）发送线圈电流调节器的设计

三、DSP控制器的软件系统设计

DSP控制程序是在CCS集成开发环境下，使用汇编语言编写，TMS320F28335的CPU长度为32位，工作频率为200 mHz，满足了控制器对速度的要求。

（一）DSP主程序设计

（二）DSP模数转换中断服务程序设计

发送端发送线圈电流调节器的控制频率为80 kHz，对响应速度要求高，主要采用中断方式工作。在TMS320F28335ADC模块中，有16个ADC结果寄存器，发送线圈电流的采样频率为1 280 kHz，每采样16个点就申请一次中断。在中断程序过程中，完成对主回路的移相控制，中断服务程序的流程如图7所示。

四、系统测试

为了验证电动汽车无线充电系统优化设计方案的有效性，笔者搭建了一个实验测试系统。该系统主要由直流电源、电压型高频逆变器、耦合电感、发送端和接收端谐振网络、驱动电路、控制电路等组成，实验系统实物图如图8所示。当正常工作时，接收端折算到发送端的阻抗较大，这时接收端充电电流调节器起作用，使得逆变器移相角大、输出电压变大，发送端电流正常，逆变器输出电压和发送线圈电流的波形如图9所示。当出现异常情况时，逆变器的输出电压和发送线圈电流波形如图10所示。当发送线圈和接收线圈距离过大或者接收端充电回路开路时，接收端折算到发送端的阻抗为零，发送线圈电流增大，此时发送线圈电流调节器起作用，控制器输出的移相角减小，逆变器输出电压减小，限制了电流的增加。通过多次反复测试，实测数据表明电动汽车无线充电控制教学实验装置经过参数优化后，传送功率可达2.4 kW，能量传输效率在91%以上。

综上所述，笔者基于DSP设计的电动汽车无线充电系统，主要是依据S-S型磁场耦合无线充电系统的数学模型，推导出主电路参数的约束条件，然后提出电路参数优化设计方法。新的系统可减小发送线圈的电流，降低功率开关管的电压应力，提高系统功率传输效率；同时在接收端和发送端设计了互相独立的双路负反馈控制，使得这一系统具有结构简单、成本低、传输功率大、效率高、安全等优点。提出这样的设计思路，有利于优化中职新能源汽车专业的教学内容，提高专业学生适应市场发展的能力。

参考文献

［1］耿琪琛，刘坤.不同补偿拓扑结构下电动汽车无线充电系统传输特性对比［J］.电力科学与工程，2021（9）.

［2］陆韦，刘泽军.电动汽车的无线充电控制策略研究［J］.电测与仪表，2018（24）.

［3］赵靖英，张振远.基于H∞非线性控制器的电动汽车无线充电系统的副边控制设计与参数优化［J］.电工技术学报，2022（3）.

［4］孙运全，徐新森.用于电动汽车无线充电系统的Z源逆变器控制方法研究［J］.電子器件，2018（5）.

作者简介：侯捷（1988— ），广西南宁人，讲师，主要研究方向为汽车新能源专业教学。

（责编 蒙秀溪）