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原文传递电动汽车动态无线充电系统设计及充电控制策略研究

论文题名：	电动汽车动态无线充电系统设计及充电控制策略研究
关键词：	电动汽车;动态无线充电;一体化电路;功率控制
摘要：	随着全球经济的快速发展，带来了化石能源愈发枯竭以及环境不断恶化的问题，探索解决能源和环境问题的方法和技术成为了当今世界最热门的研究方向之一。电动汽车具有高能效和低污染气体排放的特点，在节能减排、减少人类对传统化石能源依赖方面具备很大的优势。为实现碳达峰、碳中和的目标，发展电动汽车是推动绿色发展、保障能源安全的战略选择。目前电动汽车的发展受制于充电设施建设不完善、充电存在较多问题等因素，电动汽车主要采用的有线充电方式存在充电不灵活、用户体验差、里程焦虑、环境适应性差、电池体积庞大等问题。此外，电动汽车正在向智能化、网联化、共享化的趋势发展，具备自动驾驶能力的电动汽车将成为研究的热点，那么在自动驾驶电动汽车的未来，有线充电已不能满足智能化的要求。　　基于磁耦合无线电能传输原理的电动汽车无线充电技术为解决电动汽车充电问题提供了新的思路，尤其是该领域前沿热点方向之一的电动汽车动态无线充电（ElectricVehicleDynamicWirelessCharging,EV-DWC）技术得到了广泛的关注。电动汽车动态无线充电技术可以使电动汽车在行驶过程中即可完成充电，边走边充，具有无里程焦虑、少载甚至不载电池、降低整车重量和成本等特点。　　电动汽车动态无线充电技术还未得到广泛应用，目前对于系统设计和充电控制策略处在初步研究阶段，面向规模化电动汽车的集群式电动汽车动态无线充电技术也亟待研究。集群式电动汽车动态无线充电系统涉及的系统设计与建模、特性分析、功率波动抑制、整体效率优化等问题需要深入研究。对于长导轨发射线圈结构集群式EV-DWC系统，需要设计单个发射线圈允许的电动汽车数量并提出相应充电功率及效率优化控制策略。短分段发射线圈结构集群式EV-DWC系统存在多个发射线圈同时通电，发射线圈的连接方式与驱动模式也多样，系统设计的复杂度较大；还需要研究适用于短分段发射线圈结构的地端一体化电路，降低系统建设成本。此外，集群式电动汽车的数量存在不确定性，这不仅影响了系统参数的设计，也对充电控制及系统效率优化策略提出了更高的要求。　　针对以上问题，本文围绕电动汽车动态无线充电系统设计及充电控制策略展开了研究，主要内容包括：　　1）基于车端DC/DC电路的动态无线充电系统设计及充电控制策略研究。分析了单发射线圈单接收线圈EV-DWC系统的电路模型，并对不同的谐振补偿拓扑进行了对比分析，讨论了适用于电动汽车动态无线充电系统的谐振补偿拓扑。通过对LCC-S谐振补偿拓扑且车端包含DC/DC电路的EV-DWC系统电路的分析，提出了基于Buck-Boost电路在线实时调节占空比的功率波动抑制策略。　　2）基于车端可控整流电路的动态无线充电系统设计及充电控制策略研究。建立了双边LCC谐振补偿、接收端包含全桥可控整流电路的EV-DWC系统电路模型。通过分析系统的输出特性，推导出了系统关键参数的表达式。提出了基于可控整流电路移相控制的恒流/恒压充电控制策略以及基于动态等效阻抗匹配的效率优化策略，也为集群式EV-DWC系统的研究奠定了基础。　　3）长导轨发射线圈结构集群式EV-DWC系统设计及充电控制策略研究。建立了基于长导轨发射线圈结构、双边LCC谐振补偿拓扑的集群式EV-DWC系统数学模型，并分析了系统的输出特性，推导出了对于不同电动汽车数量的最优传输效率、最优等效阻抗等表达式。考虑到车辆速度、电源容量、安全制动距离、系统整体效率等因素，提出了设计单个长导轨发射线圈所允许电动汽车数量的方法。提出了基于车端可控整流电路的适应电动汽车行驶速度的充电功率控制策略以及变数量电动汽车环境下系统整体效率优化控制策略。　　4）短分段发射线圈结构集群式EV-DWC系统设计及充电控制策略研究。介绍了短分段发射线圈结构集群式EV-DWC系统的基本结构，提出了基于地端换流与谐振补偿一体化电路的设计方法。分析了发射线圈并联型集群式EV-DWC系统的输出特性，推导出了最优传输效率、最优等效阻抗等数学表达式。最后，提出了发射线圈并联型集群式EV-DWC系统地端一体化电路设计方法、地端一体化电路控制策略、基于车端可控整流电路的充电功率控制和系统效率优化策略，大大降低了系统的硬件成本。
作者：	张铭
专业：	电气工程
导师：	黄学良;谭林林
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021