电动汽车有线/无线混合充电系统研究

• 作 者: 程远锋
• 机 构: 武汉大学
• 出 处: 武汉大学
• 发表日期: 2020年期
• 关键词: 电动汽车

目前，电动汽车主要有无线充电与有线充电两种充电方式。可以预见，在未来很长一段时间内，有线式充电汽车与无线式充电汽车将会在市场内共存。电动汽车充电系统作为推广电动汽车必备的基础设施在未来必将兼具两种供电方式。现有的电动汽车充电系统仅仅只能提供一种供电方式，研发电动汽车混合充电系统势在必行。本文提出了一种电动汽车有线/无线混合充电系统，较好的解决了充电系统与电动汽车充电方式的兼容性问题，并降低了分别安装制造有线充电系统与无线充电系统的成本。基于本文提出的混合充电系统，进一步对其中的两点关键技术：混合充电系统参数优化设计以及线圈对准技术展开了深入研究。
　　针对混合充电系统中功率模块的视在功率需求问题，本文以最小视在功率需求作为优化条件，求解了混合充电系统的最优设计参数。基于设计的混合充电系统电路拓扑结构，首先通过建立混合充电系统模型分析了有线充电模式以及无线充电模式对功率模块的最大电流及电压输出需求。得出了无论在有线充电模式下还是无线充电模式下，功率模块在电池进行恒流充电与恒压充电切换时需要输出较大的电压及电流的结论。进一步，综合考虑有线充电模式及无线充电模式对功率模块的最大电流及电压需求，分析了在不同线圈互感参数下混合充电系统对功率模块的功率需求。最后，以功率模块功率需求最小作为优化条件，通过数值求解的方式得出混合充电系统的最优设计参数，并利用数值仿真验证了设计参数的正确性。
　　针对在无线充电模式下线圈无法对准导致混合充电系统设计参数发生变化的问题，提出了一种耦合线圈全向对准方案。首先，对该线圈对准装置进行了详细的描述。然后，对线圈对准装置的场源关系以及运动模型进行了求解，得出了线圈安匝数会影响线圈对准装置的性能以及线圈运动过程的结论。进一步，利用COMSOL软件仿真探寻了在不同安匝数下该方案能调节的线圈偏移范围以及在某一固定偏移下不同安匝数给线圈对齐带来的影响。通过仿真实验，得出了以下结论：安匝数决定了提出的线圈对准方案能调节的线圈偏移范围，次级线圈安匝数越大能调整的线圈偏移范围也越大，并且线圈最终偏移距离能确保小于该安匝数下能调整的最小偏移距离；在特定偏移距离下，若要使得该装置对齐效率达到最高，需依据线圈偏移距离对次级线圈通入的直流电流进行控制。最后，为了分析加入永磁体对无线充电过程的影响，利用Maxwell软件对两种线圈的自感及高频电阻进行了求解，并计算了线圈的品质因数。得出了加入永磁体会在一定程度上降低无线充电模式下能量传输效率的结论。
　　为了进一步验证本文设计的混合充电系统性能，在文章的最后搭建了混合充电系统实验原型机，并利用该原型机分别进行了有线充电实验、无线充电实验以及不同耦合参数下的无线充电实验。实验结果表明，本文设计的混合充电系统对不同充电方式的电动汽车均有良好的兼容性，并且本文提出的混合充电系统参数优化设计方法能降低功率模块的视在功率需求。