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原文传递 Model-based Analysis and Control for Wireless Charger in EVs/PHEVs Application

论文题名：	Model-based Analysis and Control for Wireless Charger in EVs/PHEVs Application
关键词：	电动汽车;插电式混合动力汽车;无线充电系统;等效电路;临界自感值
摘要：	本博士论文旨在设计、分析和优化电动汽车(EVs)和插电式混合动力汽车(PHEVs)无线充电系统及其控制方法。与传统的接插式传导充电方式相比，无线充电更为便捷、安全、可靠，且具有更好的环境适应性。同时，无线充电技术也为增加电动汽车的续驶里程提供了一种有效的解决方案。感应电能传输技术(IPT)是电动汽车和插电式混合动力汽车无线充电的主要技术，它基于法拉第电磁感应理论，主要部分是一个一次侧和二次侧分开的松耦合变压器。IPT的工作原理为:当在一次侧线圈中注入高频交流电时，周围空间中会产生时变磁场，若二次侧电路形成闭合回路，处在时变磁场中的二次侧线圈就会感应生成交流电。通过该方式，电能就会“无线”地传输到二次侧，从而给电池充电。目前，无线充电技术运用于电动汽车和插电式混合动力汽车的主要制约因素在于该技术相对较低的效率以及对频率和参数变化的敏感。因此，全面的特性分析是设计一个高效强健的无线充电系统所要解决的关键问题。本文主要工作如下:提出三种建模方法;基于模型研究无线充电系统特性;为提高传输效率而寻找实现零电压开关(ZVS)的参数调整方法;提出无线充电板设计方法;探究补偿结构参数变化的影响;提出合适的带鲁棒控制的无线充电策略。　　首先，本文提出了传统等效电路模型(CECM)，电压依赖等效电路模型(VDECM)和电压依赖动态状态空间模型(VDDSSM)，用以分析电动汽车和插电式混合动力汽车无线充电系统的特性;提出了双边LCC补偿无线充电系统和磁集成LCC补偿无线充电系统;基于电压依赖等效电路模型，分析、比较了串串(SS)补偿和双边LCC补偿无线充电系统的特性;研究了不同厂家生产的无线充电器之间互操作的可行性;基于电压依赖动态状态空间模型，研究了磁集成LCC补偿无线充电系统的特性。　　研究表明，双边LCC补偿结构的谐振频率与耦合和负载无关。当工作在谐振频率下时，其输出电流为恒流，与负载电池的电压无关。一次侧主线圈上的电流也为恒流，只与输入电压相关，这个特点有利于同时对多个二次侧供电。相比于SS补偿结构，双边LCC补偿结构优点明显。双边LCC补偿结构对由于一次侧和二次侧线圈相对位置的变化而引起的自感变化不敏感。为研究不同补偿结构之间的互操作性，本文基于基波近似方法，推导出了一次侧或二次侧线圈的临界自感值，这一临界值反应了两个充电器互操作时的功率传输能力和控制性能。与非集成结构相比，磁集成LCC补偿无线充电系统可以以更小的补偿电感传输相同的功率。基于电压依赖动态状态空间模型，发现并研究了磁集成LCC补偿无线充电系统的四种工作模式。　　为实现ZVS，本文提出了一种基于模型的参数调整方法。为了获得精确的参数调整方法，在调整双边LCC补偿无线充电系统二次侧串联电容时，同时考虑了高次谐波。另外，本文考虑到不同的耦合和电压增益，提出了一种基于电压依赖动态状态空间模型的数值方法来调整磁集成LCC补偿无线充电系统二次侧串联电容，从而实现整个工作范围的ZVS。鉴于这种情况，调整后的无线充电可以称之为准谐振式无线充电。　　然后，基于电磁场理论，本文提出了无线充电板设计方法。此设计方法重点考虑了电磁损耗因素。从仿真和测量结果可以看出，对于磁集成无线充电系统，非期望的交叉耦合是不可避免的。为此，本文提出了考虑交叉耦合因素的磁集成无线充电系统电压依赖等效电路模型，并且逐步推导出反应交叉耦合影响的公式。此外，基于此模型，本文研究了主线圈自感变化所引起的失谐影响。　　针对参数变化和参数的统计不确定性，本文提出了基于μ综合鲁棒控制的EVs/PHEVs无线充电策略。利用Monte-Carlo方法，研究了参数的统计不确定性对无线充电系统的影响。据此，提出了一种不确定无线充电系统的改进广义状态空间平均模型。同时，基于改进广义状态空间平均模型，提出了基于μ综合鲁棒控制的EVs/PHEVs无线充电控制策略。　　最后，仿真和实验研究验证了所提出的建模方法和基于模型的特性分析结论。双边LCC补偿和磁集成LCC补偿的无线充电系统被证明是有效的电动汽车和插电式混合动力汽车无线充电系统。仿真和实验结果证明，电压依赖等效电路模型能够有效的应用于无线充电系统的基本特性分析。其中，电压依赖动态状态空间模型具有更为精确和真实的特点，除了能够反映无线充电系统的基本特性外，还能反映无线充电系统的工作模式。
作者：	李维汉
专业：	车辆工程
导师：	赵韩
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文