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原文传递用于电动汽车的车载充电机高效率谐振变换器研究

论文题名：	用于电动汽车的车载充电机高效率谐振变换器研究
关键词：	电动汽车;车载充电机;谐振变换器;变换效率;功率密度
摘要：	在当前环境持续恶化和石油资源储量下降的双重压力下，电动汽车产业在全球范围内获得了快速发展。车载充电机作为电动汽车电能补给设备的核心部件，是解决续驶里程不足这一瓶颈的关键之一。本文就车载充电机应用场合中 DC/DC谐振变换器的变换效率和功率密度的提高展开了深入的研究和讨论。　　本文在全面把握中大功率等级车载充电机的研究现状和技术难点的基础上，将提高整机变换效率的研究重点对准后级谐振变换器。首先就传统的传导式充电机中具有高变换效率和功率密度的LLC谐振变换器进行了研究和探讨。针对常规的谐振参数设计方法在面对高压电池类负载的宽电压、电流变动范围这一特性上的不足，结合高压动力锂电池组的充电曲线对其充电过程进行分析，提出了以恒定最大功率充电曲线上最苛刻工况点作为额定点的设计思路，采用频域基波近似法分析并推导了该额定点的解析表达式。在针对最苛刻工况点进行设计的过程中，为了避免基波近似法所带来的误差，提出了使用基于“波形模板法”对该点的谐振波形进行保守设计的思想，并据此总结出一套解析式谐振参数设计方法，在确保实现全范围原边零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）的同时，能够快速的完成变换器的设计，并在3.3kW实验样机对该方法进行了验证。　　由于基波分析法忽略了副边整流桥的软开关情况，同时因近似性导致其无法保证LLC谐振网络内部用以维持软开关的无功功率最小化。针对这个问题，本文提出了一套基于时域模型的谐振参数优化设计策略。根据 LLC变换器的时域微分方程及其谐振工作过程，对所有运行模式的特点进行了总结和归纳，分析并指出了适于充电机应用的具有双边软开关能力的运行模式。通过在 LLC变换器运行模式的分布图上对恒定最大功率充电这一过程进行“轨迹设计”的方式，使充电的全过程始终保持在双边软开关的运行区域内。并以此按照所提出的优化设计策略，设计了6.6kW样机并通过了实验验证。　　另一方面，感应式无线能量传输（Inductive Power Transfer，IPT）系统作为一类特殊的谐振变换器，其传输功率的增大和传输效率的提高是将车载充电机推向智能化、无线化的关键。本文基于IPT系统的基本工作原理，讨论了实现大功率、高效率无线能量传输的几个关键因素。针对传统单纯电容补偿方式的不足，提出了一种采用LCC（一个电感、两个电容）补偿网络对IPT系统中的松耦合线圈进行双边补偿的谐振变换拓扑，并基于基波分析法介绍了该拓扑基本工作原理、工作特性。理论分析指出，使用该补偿拓扑及其设计可以实现：原边励磁电流不受耦合和负载情况影响、定频调压控制以及电流源输出特性。在此基础上，针对双边LCC补偿拓扑零相角（Zero Phase Angle，ZPA）开关的属性不适合 MOSFET型逆变器的问题，分析并推导了双边 LCC补偿拓扑在MOSFET开关时刻的电流表达式，提出了在原LCC补偿网络参数的常规设计值基础上，对副边串联补偿电容的值做小幅调整的优化方法，用以实现宽输入/输出电压范围内原边的ZVS运行，并在8kW实验样机上进行了验证。　　此外，为了进一步提高采用双边 LCC补偿 IPT系统的功率密度，本文提出了一种具有磁集成特征的LCC补偿式磁耦合器结构。通过采用磁集成技术，将LCC补偿网络与能量传输线圈进行磁耦合器的一体化设计，可以有效地消除补偿网络在磁耦合器外部所占用的空间。对磁集成结构所引入的附加耦合在磁耦合器的设计、电路拓扑以及补偿网络参数设计方面的影响做了深入的分析，指出了设计中的关键所在，并在5.6kW的实验样机上进行了验证。　　最后，本文还针对7kW高效率无线车载充电机系统在开发设计过程中的主要难点问题做了研究和讨论，包括系统总体方案、后级IPT变换器设计流程、前级变换器拓扑选择等。该充电机系统采用三级变换结构，前级4相交错并联式boost型PFC变换器的满载效率可达97.5％；中间级4相交错并联型buck变换器，用于实现充电机系统的输出功率调节；后级基于双边 LCC补偿的无线能量传输系统的满载效率可达96%。无线充电机的整机变换效率在50%-100%负载范围内均高于90%，满载峰值效率达到93%，实验表明，这一结果能够满足电动汽车对该功率等级下无线充电机在高变换效率方面的指标要求。
作者：	邓钧君
专业：	电机与电器
导师：	马瑞卿
授予学位：	博士
授予学位单位：	西北工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文