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原文传递电动汽车高效率无线双向充放电系统研究

论文题名：	电动汽车高效率无线双向充放电系统研究
关键词：	电动汽车;双向无线充放电系统;图腾柱PFC变换器;感应式能量传输;无线直流变压器
摘要：	近年来，我国电动汽车产业发展取得了举世瞩目的成就，成为引领世界汽车产业转型的重要力量。感应式能量传输（InductivePowerTransfer,IPT）因其具备传输方式灵活、自动化程度高、运行维护成本低及环境适应性强等优点，在电动汽车领域具有良好的应用前景。虽然IPT技术已在消费电子、植入式医疗器械以及水下无人航行器等场合成功应用，但在作为分布式移动储能单元的电动汽车应用中仍然存在一些问题：一方面，停车过程中汽车位置的不确定性使收、发线圈耦合系数发生大范围变化，需要充放电系统具备较强的抗偏移能力；另一方面，充放电系统还要满足汽车动力电池充放电过程中宽电压范围的需求。因此，如何保障系统在宽范围偏移和输出下高效、稳定、可靠运行是亟待解决的关键问题。　　本文以6.6kW电动汽车无线双向充放电系统作为研究对象，从单元变换拓扑电路结构与控制方法出发，以高效率、宽范围双向能量传输为目标，采取理论分析、数值仿真和实验验证相结合的方法。分别针对双向AC-DC变换器效率与功率密度优化、无线直流变压器实现、双向充放电系统架构及控制策略等几个重要方面展开了深入的研究与讨论。具体研究内容包含以下四个方面：　　1）磁粉芯电感具有工作频率高、体积小、成本低等优点，广泛用作功率因数校正（PowerFactorCorrection,PFC）变换器的交流滤波电感，但其电感值随电流非线性变化，严重影响了变换器的动态与稳态特性。本文从图腾柱PFC变换工作原理出发，考虑磁粉芯电感的软饱和特性，分析非线性时变电感对传统PI控制的影响，提出了一种考虑电感软饱和特性的图腾柱PFC变换器电感电流预测控制策略，通过离线计算与在线修正相结合的方式，实时更新控制器内的对象模型，消除了电感变化带来的不利影响，保证系统高效、稳定运行。最后，通过搭建的实验平台对所提控制方法进行验证，采用所提出改进控制方法后，测得系统满载输入电流THD由4.516%下降至3.015%，10%~100%负载范围内传输效率大于95.5%，输出功率为1939W时峰值传输效率99.26%。　　2）针对双向图腾柱PFC变换器扩容时系统功率密度和传输效率下降的问题，充分发挥不同磁芯材料的特性，分别利用磁粉芯和铁氧体电感处理PFC输入电流中的直流与交流成分，提出了一种采用磁粉芯交流滤波电感与铁氧体耦合电感组合的两相交错并联图腾柱PFC变换拓扑。详细的分析了非线性组合电感的电流纹波特性并给出了电感参数设计方法，对图腾柱PFC变换器输入电流过零畸变问题进行探究，揭示了导致电流过零畸变的原因，随后提出了一种无电流过零畸变的图腾柱PFC数字实现方法，实现了系统的稳定控制和高效运行。通过7.7kW两相交错并联图腾柱PFC变换器原理样机验证了所提组合滤波电感性能的优越性与电感电流过零畸变消除方法的有效性。在相同的桥臂输入电流纹波下，所提拓扑交流滤波电感值减小为传统交错并联结构的25%，对应电感器使用的磁芯总体积降低为传统电感的67%。实验测得功率变换模块在逆变模式、输出功率3895W时传输效率99.29%，整流模式满载运行时传输效率98.62%，满载输入电流THD为1.87%。　　3）为消除电流源型双向感应式无线能量传输系统负载波动对输出电压增益的影响，本文提出了一种基于LCC-S型高频补偿网络的无线直流变压器结构，具有端口电压与负载完全解耦的特性，结合所提零无功实时双向控制策略，实现了原、副边开关的同步控制，并且具备能量自然双向流动的潜质。通过所建立的系统等效电路模型，分析了谐振参数对端口电流特性的影响，设计并优化高频补偿网络电路参数以满足系统高效功率传输要求。在6.6kW感应式无线电能传输平台验证了所提电路结构及其控制方法的有效性，测得系统在传输距离140mm、20%-100%负载范围内系统传输效率大于90%，输出功率7046W时系统峰值传输效率为96.64%。　　4）现有无线双向充放电系统存在车、地端协同控制对实时无线通讯依赖度高、控制系统可靠性及鲁棒性低等问题，限制了IPT技术在电动汽车无线充电领域的进一步推广。对此，本文提出了一种基于无线直流变压器的三级式无线双向充放电系统架构，通过车端直流变换器实现宽范围输出电压匹配和传输功率调控，结合自动适应纹波频率的PIR控制器增强电流环路对低频纹波的抑制能力，可以在原、副边无控制级数据通信的前提下，实现高效、稳定的无线双向充放电控制，在6.6kW无线双向充放电平台上验证了所提系统架构的可行性和协同控制策略的有效性。原、副边线圈距离为140mm时，测得G2V模式交流电压239.90V、直流输出420.64V/3617W的传输效率为96.14%；V2G模式直流输入420.14V、交流输出238.97V/3615W的主功率回路传输效率为96.21%。
作者：	李其琪
专业：	电气工程
导师：	段善旭;刘邦银
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021