电动汽车非接触充电系统电路参数设计及负载估计技术研究

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相比传统插电式充电方式,电动汽车非接触充电方式的地面发送端装置安装在停车位置下方,不占用其他空间;可实现自动充电而无需人工手动操作,自动化程度高,用户体验好;装置密封且电气隔离,磨损老化问题小,提高了使用的安全性。本文针对电动汽车非接触充电系统工作原理、电路参数设计方法、负载估计方法及其控制技术进行研究。  首先,提出四线圈结构和两线圈结构无线能量传输系统电路参数设计方法,并进行系统传输性能的分析和对比。采用等效电路理论建立四线圈结构和两线圈结构系统理论模型,分析线圈回路复阻抗参数对系统传输性能的影响;提出基于线圈回路复阻抗的四线圈系统电路参数设计方法,相比磁谐振耦合技术,拓宽了系统最大效率工作点范围;提出两线圈系统副边侧线圈回路阻抗设计方法,实现系统最大效率工作;通过对负载特性、偏移特性和频率特性等方面进行分析和对比,表明四线圈结构和两线圈结构系统在传输效率特性基本一致,但在传输功率特性方面存在较大差别。  其次,提出电动汽车非接触充电系统LCCL阻抗匹配电路参数设计方法。建立电池充电等效负载阻抗模型,分析接收端非线性整流电路对接收端线圈回路复阻抗的影响,提出电流断续模式下全桥不控整流电路等效输入阻抗计算方法,并得到接收端LCCL阻抗匹配电路参数设计方法;分析逆变器输入电压、输出功率与其等效负载阻抗的关系,得到逆变器等效负载阻抗计算方法,提出发送端LCCL阻抗匹配电路参数计算方法。通过接收端LCCL阻抗匹配电路参数设计实现系统最大效率工作,通过发送端LCCL阻抗匹配电路参数设计满足系统功率输出需求。  再次,提出电动汽车非接触充电系统宽输出范围的高频移相逆变器,并验证其宽范围调功性能。分析移相全桥逆变器的工作原理和滞后臂开关管难以实现ZVS的原因,采用电流增强型拓扑拓宽了逆变器移相工作范围;分析逆变器开关管开关过程中,电路寄生杂散参数对逆变器开关管电压、电流尖峰和驱动电路波形的影响,提出采用电流增强型逆变器拓扑、优化电路布线、改进驱动电路参数和缓冲电路参数等措施,降低逆变器损耗和电压电流尖峰,提高逆变器宽范围输出时的可靠性。  然后,提出基于反射阻抗角正切值的电动汽车非接触充电系统多负载参数在线估计方法,对电池充电电流和负载信息进行估计。分析发送端电路的等效阻抗与负载阻抗、线圈互感和接收端线圈回路阻抗等参数之间的关系,提出基于反射阻抗角正切值的多负载参数估计方法,实现对负载阻抗、线圈互感和传输效率等多个参数的在线估计;建立了负载估计模型,根据对发送端的电压和电流检测,实现了车载接收端电池充电功率和充电电流参数的在线估计;通过对线圈位置偏差、负载短路和负载断路故障时的发送端等效阻抗分析,提出系统负载故障在线分析和诊断方法,并进行仿真验证。  最后,提出基于负载估计方法的电动汽车非接触充电系统控制策略,搭建非接触充电系统实验平台并进行实验验证。建立电动汽车非接触充电系统控制模型,提出基于负载估计方法的非接触充电系统输出闭环控制策略;以FPGA为核心搭建地面发送端控制器,根据地面发送端电压和电流对车载接收端电池充电电流进行调节,实现电池恒流充电;结合电动汽车非接触充电系统电路参数设计方法和高频逆变器设计方法,搭建了电动汽车非接触充电系统实验平台,实验结果表明系统效率较高,控制策略响应速度较快、控制精度较高,满足电动汽车充电需求。
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