宛东

摘 要：基于新能源汽车市场保有量的不断增加，解决新能源汽车电池充电问题成为新能源汽车发展的关键。所以基于智能充电技术的发展，设计无线智能充电装置成为促进新能源汽车生产技术的关键因素。文章在综合相关研究成果的基础上，设计新能源汽车无线智能充电装置，以此提升新能源汽车充电效率。

关键词：新能源汽车;无线智能充电;设计;拓扑结构

0   引言

随着我国新能源汽车生产技术的不断完善，新能源汽车市场保有量不斷增加。无线智能充电技术是新能源汽车发展的关键因素，是解决新能源汽车充电烦琐问题的重要途径。据调查，目前我国无线电能传输本身已经成熟，制约新能源汽车智能充电的主要因素是应用场景的匹配问题。例如无线智能充电系统与车辆定位、地面设备与车载设备之间的匹配问题。因此笔者结合相关研究成果，设计新能源汽车无线智能充电装置，以此提升新能源汽车充电效率。

1   新能源汽车无线智能充电原理

新能源汽车无线智能充电原理就是交流电源经过整流滤波以及高频逆变后，在发射线圈内产生高频的交流电流，从而在发射圈附近产生高频的交变磁场，进而形成感应电流。其具体充电流程是通过地面发射设备与车载装置之间的匹配完成。例如，当新能源汽车的车载充电设备与地面设备对齐后，无线智能充电系统就会开始运行，实现新能源汽车的自动充电。目前，我国无线智能充电的形式比较多，其主要有电场耦合式、无线电波式等。每种无线智能充电形式都具有对应的优势，当然其在实践中也存在一定的劣势。如电场耦合充电模式由于其传输的功率比较小，因此以目前的技术难以在电动汽车中应用。根据调查目前电磁感应式是电动汽车的无线充电技术主要发展趋势。

随着新能源汽车的不断发展，大力发展无线智能充电装置具有重要的现实意义：首先，基于新能源汽车的主要动力就是电能，但目前我国新能源汽车电池里程短问题成为制约新能源汽车发展的重要因素。而通过发展无线智能充电装置可以有效解决新能源汽车电池里程短的问题，从而提高新能源汽车的发展速度。其次，无线智能充电装置具有方便快捷优势。根据调查目前有线充电装置在城市发展的速度不快，原因就是其受场地影响，导致新能源汽车的充电极为不方便。而无线智能充电装置其通过运用无线传输系统可以达到占地小、充电便捷的性能。例如新能源汽车只需要在其允许范围内就可以完成充电，这样有效解决了城市用地问题。最后，其后期运行成本较低，尤其是故障发生率要低于有线充电。根据调查使用无线智能充电可以有效降低后期的维护费用，尤其是降低了人为破坏的发生率。但相对于传统的充电装置模式而言，无线智能充电存在充电率不高的问题，尤其是无法解决快速充电的问题。例如，目前无线充电装置的功率传递大部分在10 kW以下，在电动车辆上无线充电存在慢充等缺陷[1].

2   新能源汽车无线充电装置的整体设计

2.1  电路设计

线路设计是新能源无线充电系统的核心，本文设计的新能源汽车无线智能充电装置主要是保障输出功率达到2 W。按照常规有效输出功率为75%的设计原则，输入端的功率需要达到2.7 kW，还要选择功率为4 kW的器件作为相应的配件，主要包括以下几点。

2.1.1  PFC电路设计

根据电路原理可知，新能源汽车无线智能装置的电源受电压波动而产生畸形导致功率下降，所以需要对功率因素的校正。具体设计方案是先利用功率因数校正电路实现对功率因素的调整，以此得到稳定的电流;再利用BUCK电路调节电压，保证输出功率的恒定[2]。

2.1.2  BUCK电路设计

虽然经过上述举措之后，电路中的电压和电流相位基本一致，而且通过PFC电路后，电压的幅值也得到提升，但是无线充电系统的输出功率与电压有关。通过在PFC电路中实现了电压值的调节，但是其还需要完成减少纹波电路的功能，所以在二者同时运行的时候，容易引起无线充电系统出现混乱。因此需要在无线充电通信模式设置BUCK电路，如图1所示。

通过综合计算本文BUCK电路的电路临界电感为199.61UH。可见当BUCK电路启动时，由于电路比较大，需要在电路系统中通过硬件得以保护，具体就是在输出电压中加入控制器，这样实现对电路电压的控制。在具体操作上则是将检测到的BUCK电路输出的数值与预期设计的数值进行相减，将相减的数值作为无线智能充电电压控制器的输入值。

2.1.3  高频逆变电路设计

无线智能充电系统需要将直流电转化为交流电，所以本设计的关节环节就是设计高频逆变电路。当前对于高频逆变电路的处理硬件设备有：（1）自激震荡式高频逆变电路。主要是依靠自身震荡的逆变电路，可以快速地将直流转变为交流电。但是此种电路所承受的功率比较小，不能适应于新能源汽车。（2）H桥驱动电路。采取四个MOS管组成正反两个通路，通路的通断通过施加到MOS管上的PWM信号来控制。

2.2  硬件设计

控制器是无线智能充电装置的主要组成部分，其主要分为控制板设计和驱动板设计。

电源模块是支撑无线智能充电的重要组成部分，其主要分为12 V供电和5 V供电：第一级电源主要是将310 V的高压输入转化为12 V的低压直流。为了满足流通需要，本文主要采取Vl5-27812模块作为电平转换芯片，这是因为此种芯片能够输入1200 V的电压，输出最大电路可以达到1.25 A。第二级电源系统则是将12 V电压转化为5 V电压，因此采取B1205D.2WR2模块[3]。

2.3 电压隔离采样设计

根据计算无线智能充电系统的直流电压可以达到        310 V。较高的电压必然影响系统的接触采样，所以为了保证对电压的准确计算，需要在无线智能装置找那个设置具有隔离功能的AD采样芯片，这样可以实现对整个直流电压的采样处理。由于直流电压具有不稳定性，这样会影响无线智能充电系统的运行效果，尤其是电压的波动会影响无线智能充电系统，甚至导致某些元件出现损伤，因此本文设计以下电路（由590 KQ，10 KQ和200Q的电阻串联），具体如图2所示。

3   仿真实验

3.1  PFC仿真模型建立与结果分析

为了检验无线智能充电装置的性能，采取BOOST电路进行互补输出检验PEC，通过实验得出以下结论：无线智能装置加入PEC电路后，电压及电流相位相同，尤其是功率因数得到提升，因此表明PEC起到了功率因数校正的作用。

3.2  BUCK仿真模型建立与结果分析

BUCK电路主要目标就是实现恒功率的控制，通过计算可以看出，BUCK电路的输出电压稳定在期望的电压值处。

总之，通过仿真实验，硬件电路的每个模块均实现了预期的功能，整个系统较好地实现了预期效果。但是电动汽车的无线充电技术诸等辅助功能：一方面在功能实现还没有形成技术路线的共识;另一方面这些功能涉及人体和整车的安全，其测试要求更加严格，在针对这些方面的测试方法还存在一些困难需要克服。

[参考文献]

[1]温超.新能源汽车磁耦合共振式无线充电系统研究[D].青岛：青岛大学，2017.

[2]范祖良.新能源汽车电池无线充电功率控制系统设计[J].科技创新与应用，2020（8）：73-74

[3]侯明心，焦欣宇，朱向冰.新能源汽车磁场共振式无线充电发展综述[J].信息化研究，2020（2）：37-42.

（编辑 姚 鑫）