0 引言

    發展電動汽車是節能、環保和低碳經濟的需要，電動汽車的充電裝置相當于汽車燃料的加注站，當國內開始大張旗鼓地建設有線充電樁和充電站時，無線供電已在國外開始興起，是未來電動汽車供電技術的發展趨勢^[1-3]。

    目前關于電動汽車的無線充電，較為普遍的解決方案如圖1所示^[4-5]。充電裝置的發射端埋設在充電場所的地面，接收端設置在車輛底部。充電裝置主要由松耦合變壓器和充電電路兩部分組成。發射端與接收端之間存在能量傳輸通道和信息傳輸通道，用于電能傳輸和反饋信號的回傳。發射端的電流與接收端的電壓形成閉環控制，閉環控制系統的反饋電路中，原邊側電流反饋電路與控制電路都處于系統的原邊側，對于反饋信號的傳遞不存在問題。而負載側電壓反饋電路處于系統的副邊側，要將反饋信號傳回控制電路，信號必須跨過松耦合變壓器。在完成非接觸式電能傳輸的同時，控制回路也要設計相應的無線信號傳輸電路來完成閉環反饋控制，由此給系統的設計和工作帶來了許多不便^[6-8]。

    為了解決傳統閉環控制方案中需要無線傳輸反饋信號的缺點、降低充電時的電網側諧波畸變、提高功率因數^[9]，并滿足電池側的輸出電壓可控、輸入電壓寬適應性，電網側和電池側采取隔離式開環控制。本文針對當前的電動汽車無線充電技術的控制策略進行了改進。發射端和接收端分別采取閉環控制，取消了傳統裝置的信息傳輸通道的反饋信號的閉環控制，采取一種開環控制的方式，其系統結構如圖2所示。

1 新型無線充電系統

1.1 系統結構

    該無線充電系統結構如圖2所示。主電路包括AC/DC整流模塊、松耦合變壓器模塊、DC/DC變換模塊等部分。AC/DC模塊采用的是Boost/全橋組合式軟開關諧振PFC變換電路，DC/DC模塊采用的是Buck變換電路。下面將分別對AC/DC模塊和DC/DC模塊的原理和控制策略進行分析和闡述。

    PWM整流電路是采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，它能在不同程度上解決傳統整流電路存在的問題。把逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，就形成了PWM整流電路。通過對PWM整流電路進行控制，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，則功率因數近似為1，因此PWM整流電路也稱單位功率因數變流器。對于中、大功率PWM整流電路均采用單相或三相橋式結構，而對于小功率整流電路多采用單相不控整流加一級直流變換電路以實現網側功率因數校正。本系統中采用的就是含Boost APFC的PWM整流電路。

    松耦合變壓器是無線充電系統的能量交換通道，本文主要以無線充電系統的控制策略研究為主，松耦合變壓器采用傳統的結構。DC/DC模塊部分是接在松耦合變壓器副邊側的變換電路，主要對從松耦合變壓器接收到的電流進行整流和DC/DC變換，因為原邊側采用的是Boost升壓電路，為了保持最終輸出電壓的穩定和調控，副邊側采用了無源無損Buck變換電路。

1.2 控制策略

    如圖3所示，交流輸入電壓經二極管橋式不控整流后，再經過Boost DC/DC變換電路，通過相應的控制使輸入電流平均值自動跟隨整流電壓基準值，可獲得較高的網側功率因數，并保持輸出電壓穩定。APFC電路有兩個反饋控制環:輸入電流環使DC/DC變換器輸入電流為全波整流波形，并且與全波整流電壓波形相位相同；輸出電壓環使DC/DC變換器輸出端為一個直流穩壓源，達到直流電源的穩壓效果。

    如圖4所示，在松耦合變壓器副邊側，經過D₉、D₁₀的整流后接Buck變換電路，以輸出電壓和電流為反饋形成雙閉環控制，本方案中電感L₃工作在電流連續狀態下，因為Buck變換器的穩態輸出平均電壓與占空比D成正比，因此，最終的輸出穩態電壓可由功率管S₆的占空比控制。

2 模態分析

    如圖5所示，無線充電原邊側采用Boost/全橋組合式軟開關PFC變換電路。其中L₁為儲能電感，S₁為Boost變換器的主功率開關管，L₂、D₅、D₆、D₇、D₈、C₁、C₂、C₃與S₁、L₁共同組成無源無損軟開關。其工作原理為，當MOS管S₁關斷時，在D₆、C₂的作用下，MOS管實現零電壓關斷，當MOS管S₁開通時，C₁、C₂和L₂組成諧振網絡，將C₁中的能量轉移到C₂中，且因為L₂的存在，D₅的反向恢復被抑制，MOS管是零電流開通。因為網絡中沒有電阻性的損耗元件，能量沒有損失，效率較高。

    該變換器工作時，Boost級升壓電感L₁工作在CCM模式下，開關S₁受閉環控制，以一固定頻率f₁進行開斷，采用平均電流法控制其占空比，以實現輸出穩壓和輸入PF控制。S₂、S₃、S₄、S₅為全橋逆變四個橋臂，S₂、S₅與S₃、S₄以一定的死區時間互補導通，并以一定的頻率 f₂交替開通，形成一個固定的工作周期。這兩組功率管的驅動有著充分的死區時間，在這段時間內，變壓器漏感要有足夠的能量抽取光將要開通的功率管兩端諧振電容的電荷，并給關斷的開關管的諧振電容充電，以保證之后功率管的零電壓開通，有效地減小開通損耗。

    如圖6所示，無線充電副邊側采用無源無損軟開關Buck變換電路。其中DC是從松耦合變壓器輸出側整流得到的直流電，S₆為Buck變換電路主功率開關管，L₃是儲能電感，C₅、C₈是穩壓電容，與D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、C₆、C₇、L₄共同組成無源無損電路。

    該變換電路工作時，當功率管S₆關斷時，在C₆和D₁₁的作用下功率管實現零電流關斷，C₆進行充電，C₇、L₄、L₃和C₈組成諧振電路，當功率管S₆開通時，由于C₆兩端電壓為0，故開關管S₆可實現零電壓開通。工作過程中，通過改變S₁的占空比實現輸出電壓的調節。

3 仿真與實驗結果分析

3.1 仿真模型分析

    分別對Boost/全橋組合式軟開關APFC電路和無源無損軟開關Buck變換電路進行Simulik建模仿真。仿真條件為：輸入220 V/50 Hz單相交流電，最終輸出為直流3 kW/400 V。圖7為Buck變換電路仿真的關鍵波形，從上到下依次為MOS管電流、MOS管電壓、諧振電容C₁電流、諧振電容C₁電壓、諧振電容C₂電流和諧振電容C₂電壓波形。由仿真圖形可以看出，由于諧振電路的作用，實現了MOS管的零電壓關斷和零電流開通。最終得到輸出電壓和電流波形如圖8所示。 

    由于緩沖電感和電容的存在，所以在輸出波形初始階段有一段震蕩的過程，經過給電感和電容充能的過程，電壓電流有一個先降后升的過程。由圖中可以看出在經歷短暫的緩沖之后，輸出電壓和電流便趨向穩定，輸出功率也得到了保證。

3.2 實驗驗證

    為驗證理論分析和仿真結果的正確性，設計并搭建了輸出直流3 kW/400 V的實驗平臺。實驗條件與仿真條件相同，輸入端為220 V/50 Hz的單相工頻交流電源，功率管選用SPW47N60C3，Boost變換電路的主功率管S₁采用UC3854芯片進行控制，全橋逆變功率管采用IR2113驅動芯片，Buck變換電路主功率管S₆采用SG3525芯片控制。

    圖9為全橋逆變電路功率管的驅動信號，信號頻率為55 kHz，死區時間2 μs。

    最終輸出電壓電流波形如圖10所示。輸出電壓和電流波形穩定，工作狀態良好。

4 結論

    本文主要研究了一種新型的電動汽車無線充電的拓撲結構和控制策略，該結構采取原副邊雙閉環控制方案，相較于傳統帶有無線通信模塊的無線充電結構可以免除無線通信模塊，降低成本并能減小車載無線充電模塊的體積。沒有無線通信模塊后，省卻了汽車與無線充電樁的信號配對過程，能夠提高充電的連接效率，并且避免了不同廠家無線充電模塊的不匹配性所帶來的麻煩。采用雙閉環控制策略也使原副邊的電壓電流控制更穩定，調節也更迅速。仿真和實驗結果驗證了該方案的可行性，并滿足了電動汽車無線充電的要求。

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作者信息:

劉新天，秦穩穩，鄭昕昕

（合肥工業大學 科學技術研究院，安徽 合肥230009）