关键词：电动汽车;;无线电能传输;;耦合变压器;;补偿拓扑;;效率优化;;偏移容错;;双向控制
摘 要：电动汽车产业已被列入“十三五”国家战略性新兴产业发展规划。无线电能传输技术能够为静止或行驶中电动汽车提供更加快速便捷的电能传输方式,减少由于插电电缆等充电装置的安全隐患。因此,此项技术有望与无人驾驶技术无缝对接,实现智能、安全、便捷的电能传输模式。同时,无线电能传输技术能够为电池能量反馈电网、削峰填谷以提高电网质量这一技术的实现提供基本条件。无线电能传输系统要求在较大的偏移范围内实现稳定、可靠、高效的电能传输,因此本文以静止式无线电能传输系统为研究对象,针对松散耦合变压器、高频补偿网络、系统效率优化、单向及双向无线电能传输系统控制策略等几个重要的方面进行了深入的研究。具体的研究内容包含以下四个方面:(1)本文对无线电能传输系统中松散耦合变压器结构及高频补偿网络特性进行深入的分析与优化。基于有限元仿真计算模型,从绕组和磁芯排布特性优化不同耦合变压器的结构参数,提高系统变压器耦合性能。在此基础上研究无源屏蔽结构的屏蔽特性,提出一种结合引导磁芯的变压器屏蔽结构,对系统耦合性能及屏蔽效能的提升具有明显作用。其次从谐振参数及频率特性出发,分析完全谐振与偏谐振状态下的电压增益、电流增益和阻抗特性随负载及频率的变化规律。(2)提出了基于新型磁阻模型的无线电能传输系统效率优化方法。针对耦合变压器结构的复杂性导致磁芯损耗计算严重耗时的问题,本文提出一种基于螺线管结构的新型磁阻模型,获取磁芯及空间磁场分布,计算不同激励及结构参数条件下的磁芯损耗。基于建立系统的损耗模型,本文分析开关频率对系统效率的影响。通过大范围参数扫描获取工作频率段,并讨论谐振参数固定情况下的小范围频率扰动的优化工作频率点。进一步地,本文讨论原副边匝数对系统效率的影响,获取优化效率的原副边匝数组合范围,实现了系统级的整体效率优化方法。(3)研究了一种适合单向功率传输的高偏移容错无线电能传输系统。针对传统耦合变压器偏移情况下,磁场耦合跌落导致功率传输下降的问题,本文提出了一种原边双面单绕组、副边解耦单面双绕组的耦合变压器结构。该结构具有在与磁芯摆放水平的方向上偏移耦合互补的特性。为利用副边双绕组耦合互补特性并获取较好的功率传输性能,本文提出原边串联、副边双LCL的高频补偿拓扑。通过建立系统的等效电路模型,分析电路参数及负载特性对系统功率传输能力的影响,设计并优化合理的谐振元件参数满足系统功率传输要求。(4)研究应用于电动汽车的双向无线电能传输系统控制方法。针对目前双向无线系统难以实现无控制级通讯的高可靠性控制问题,本文提出一种通过检测接收端功率传输特性的开关相位自同步控制技术。提出的控制器位于车载接收端,主要通过高频功率测量方法获取高频有功和无功功率传输特性,提取发射端开关信号相位特性。通过频率相位环路实现接收端与发射端开关频率一致,并针对补偿参数失调状态,调整并控制开关相位关系达到最佳功率传输特性。频率相位控制环路控制可实现功率传输方向的改变,达到无线双向功率的稳定切换。功率幅值环路通过控制接收端高频变换电路的输出电压幅值调整双向功率传输量。通过开关波形对称调整可实现频率相位环路与电压幅值环路的解耦控制,实现稳定可靠的功率传输控制技术。
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