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1、電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討
摘要:通過了解電動(dòng)汽車發(fā)展的現(xiàn)狀及電動(dòng)汽車非接觸式充電模式,介紹了電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)架構(gòu),闡述了電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)互感等效模型,分析了一種電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)的組成及優(yōu)勢,旨在為促進(jìn)電動(dòng)汽車優(yōu)化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:電動(dòng)汽車;非接觸式;充電;系統(tǒng);設(shè)計(jì)
前言
電動(dòng)汽車動(dòng)力電池為支持,噪音低、能源清潔、場地限制小、可實(shí)現(xiàn)接近燃油汽車的續(xù)航及最高時(shí)速[1]。電動(dòng)汽車充電方式分為導(dǎo)線充電及無線能量傳輸。無線充電(WPT,wirelessPowerTransmission)以耦合電磁場為媒介,完成能量
2、傳輸[2]。無線充電與優(yōu)化導(dǎo)線充電中的機(jī)械磨損、觸電老化現(xiàn)象,可實(shí)現(xiàn)一對(duì)多充電,實(shí)現(xiàn)"邊駕駛邊充電";。
1無線充電傳輸組成
電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)由信號(hào)源、功率放大電路、同步電路、發(fā)射線圈、接收線圈、整流電路及負(fù)載組成:其中,信號(hào)源及功率放大電路發(fā)出穩(wěn)定交流電,在發(fā)射線圈固定位置安裝接收線圈,確保接收、發(fā)射線圈共振頻率相同[3]。兩線圈在固定頻率下耦合共振,產(chǎn)生高頻交變磁場,能量傳遞給接收線圈,整流電路將接收線圈高頻交流電轉(zhuǎn)化為直流電,為汽車充電。
2電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)研制及系統(tǒng)架構(gòu)分析
2.1電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
3、當(dāng)下,單純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)汽車體積大、壽命低,自身結(jié)構(gòu)還不完善,隨市場應(yīng)用前景廣闊,但技術(shù)上還存在一定難題:充電慢、成本高[4]。該結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀必然影響電動(dòng)汽車的推廣使用,徒增運(yùn)行維護(hù)成本。下文提出"即時(shí)模式";,分析電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
2.1.1非接觸送電
電容儲(chǔ)存電能無法維持汽車運(yùn)動(dòng)后,系統(tǒng)送電,電網(wǎng)側(cè)為電動(dòng)汽車送電。此時(shí),送電斷開關(guān)諧振逆變,電能以互感耦合方式傳遞給汽車接收端,接收端以PWM整流,穩(wěn)定交流電,轉(zhuǎn)化為直流電,為電動(dòng)汽車供電,保證其續(xù)航穩(wěn)定。
2.1.2非接觸饋電
電動(dòng)汽車下坡、制動(dòng)、車載發(fā)電設(shè)備電量充足、盈余下,為確保系統(tǒng)穩(wěn)定
4、運(yùn)行,需將電能以系統(tǒng)為媒介饋電,電動(dòng)汽車為送電端,電網(wǎng)為接收端。電能以的互感耦合集中到接收端,接收端以PWM將電流轉(zhuǎn)化為直流電,為電網(wǎng)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。其中,非接觸饋電功能可降低電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)運(yùn)行中,受電力過分盈余引起的運(yùn)行隱患。
2.2電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)等效模型分析
在電動(dòng)汽車上,可以利用車載新能源發(fā)電設(shè)備,為電動(dòng)汽車運(yùn)行提供動(dòng)力支持,降低其對(duì)非接觸送電電源的實(shí)際需求,進(jìn)而發(fā)揮分布式電源的最大化作用。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持下的電動(dòng)汽車,可具備電能回饋功能,對(duì)于電動(dòng)汽車充電過于盈余的情況,通過電能回饋,將不合理的電能及時(shí)輸送出去,降低電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),確保電動(dòng)汽車穩(wěn)
5、定運(yùn)行。由上述模型可得,模型設(shè)計(jì)中引入M1、M2及δ,可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的可靠性控制。
3控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
3.1STM32最小系統(tǒng)
對(duì)電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì),應(yīng)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì),確保充電穩(wěn)定性及安全性。STM32最小系統(tǒng)屬于先進(jìn)控制系統(tǒng),其對(duì)控制環(huán)境要求嚴(yán)格,在電路中,還需配置CAN標(biāo)準(zhǔn)通信和汽車通信,以STM32最小系統(tǒng)為支持,實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的科學(xué)控制。橫向比較控制器,采用新型的系統(tǒng)芯片為系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心,合理封裝,提高一般工作效率。此外,配置先進(jìn)轉(zhuǎn)換器及控制器,外設(shè)配置以ADC、SPI、I2C、USART及定時(shí)器為支持,實(shí)現(xiàn)充電在線調(diào)控。
6、3.2電源設(shè)計(jì)
電源均衡穩(wěn)定對(duì)充電系統(tǒng)穩(wěn)定有直接影響,采用STM32芯片支持,電源設(shè)計(jì)為2-3.6V,可選擇不同供電方式:(1)USB供電,電流約為500mA;(2)外部電源供電;(3)以JLinkV8供電。
3.3JTAG接口電路設(shè)計(jì)
采用JTAG輔助設(shè)計(jì),具有良好穩(wěn)定性,JTAG協(xié)議可在線編程,無需預(yù)先變成,再安裝到電路板中,直接將芯片安裝到電路板上,針對(duì)需求編程,提高了工作效率。JTAG結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)中,以20針調(diào)試接口為支持設(shè)計(jì)。
3.4電壓檢測電路設(shè)計(jì)
電動(dòng)汽車使用的電源電池具有特殊性,其容量較大,關(guān)系到電動(dòng)汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性,
7、因此,要在充電穩(wěn)定性及充電安全性上優(yōu)化設(shè)計(jì)。電池充電時(shí),需考慮到充電電壓及充電電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。為確保充電狀態(tài)在檢測時(shí),獲取有效結(jié)果,對(duì)主電路輸出電壓檢測,選擇霍爾電壓傳感器CHV-25P進(jìn)行檢測。設(shè)計(jì)中,STM32中ADC模塊輸入0.3V輸入范圍(僅限參考),將裕量變化考慮在內(nèi),在基礎(chǔ)3V上限上,乘以約80%的數(shù),獲取的設(shè)計(jì)輸入最大值,得到2.5V。原信號(hào)經(jīng)過處理后進(jìn)入STM32對(duì)應(yīng)ADCCINA1端口:經(jīng)電壓跟隨器,緩沖、隔離、后級(jí)濾波,進(jìn)入差動(dòng)輸入運(yùn)算系統(tǒng),獲取0-2.5V電壓,之后將信號(hào)經(jīng)鉗位處理后,送至STM32ADCCINA1端口(鉗位電路可穩(wěn)定ADC端口電壓,控制
8、電壓處于0.3.3V范圍)。
3.5輸出電流檢測
對(duì)主電路輸出電流檢測,以HBC20LSO檢測,但是,該工具不直接檢測,其以傳感器為支持,以被測電流穿過傳感器中心孔,間接獲取電壓值。電流信號(hào)不直接供給給處理器,需經(jīng)過一系列調(diào)試后,再供給。
3.6控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件也是電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要組成之一,在控制系統(tǒng)當(dāng)中,軟件設(shè)計(jì)起到對(duì)整體系統(tǒng)的引導(dǎo)、指導(dǎo)性作用,可指導(dǎo)系統(tǒng)按照規(guī)范性步驟"按部就班";的執(zhí)行,維護(hù)主程序穩(wěn)定。程序設(shè)計(jì)中,主程序?qū)ο到y(tǒng)工作指揮??紤]到非接觸性系統(tǒng)的特點(diǎn),在編程中,需對(duì)各個(gè)對(duì)應(yīng)的寄存器對(duì)英國配置,采取模塊化編程方
9、式,注重編程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,充分發(fā)揮各個(gè)模塊的最大化功能,對(duì)模塊變量的參數(shù)、AD采樣、PWM控制等優(yōu)化管理。
4總結(jié)
文章對(duì)電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析,將非接觸式充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)等效模型設(shè)計(jì)分析,對(duì)其控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)分析。通過實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車和智能電網(wǎng)的交互,將多余電能輸送給電網(wǎng),減低電網(wǎng)供電壓力,同時(shí)優(yōu)化電動(dòng)汽車能源結(jié)構(gòu),可有效減少對(duì)不可再生能源的依賴。分析電動(dòng)汽車非接觸式充電系統(tǒng),應(yīng)注重對(duì)電路拓?fù)浼按怕穬?yōu)化設(shè)計(jì),規(guī)劃好無線電能傳輸及地車底盤、地面之間的距離,采用新型磁材料,感受汽車實(shí)際位置,提高充電效率。通過分析全新自動(dòng)充電技術(shù)的,為電動(dòng)汽車推廣提供技術(shù)支持,可減輕電網(wǎng)壓力,減少污染。
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