变参数条件下串/并补偿非接触变换器的优化设计研究

摘要

电动汽车无线充电相较于传统的传导充电，摒弃了与地面供电设备连接的传导电缆，安全可靠、便捷友好，易于实现智能化充电，符合未来电动汽车充电的需求。无线充电技术对变压器原、副边相对位置要求较高，电动汽车应准确停靠否则会影响充电效率。究其原因，位置的变动改变了非接触变压器的自身参数，系统的运行状态脱离了设计工作点。为此，本文针对变参数条件下非接触变换器进行了优化设计研究。
　　论文首先结合不同补偿方式，选取了串/并补偿作为研究对象。在此基础上，论文通过对电路进行基波等效变换，对比表征变压器参数变化的不同方法，引入了相对自感系数和相对互感系数，为研究变参数条件下非接触变换器的输出特性带来方便；通过标幺化的推导和求解，研究了完全补偿点处串/并补偿网络的电压增益特性和相角特性，指出了电压增益分岔点、峰值点及相角分岔点与耦合系数之间的关系；在研究变参数条件下串/并补偿网络电压增益和相角特性的变化规律的基础上，指出了串/并补偿固有的特征角频率及其对电压增益和相角特性的影响；依据相角特性以特征角频率为边界，在空载及短路情况下进行了感性区和容性区的划分；为保证原边输入相角的感性需求，提出了感性交叠区的概念，且证明了分析结果的一般性，为变参数条件下原边实现软开关提供了理论依据。
　　其次，论文从软开关的实现、母线电压的波动和非接触变压器的效率三个方面，研究串/并补偿非接触变换器在变参数条件下完全补偿点的选取方法。指出了串/并补偿在变参数条件下实现软开关的条件，以实际变压器的参数为依据，说明了完全补偿点的选取对相角特性的影响；分析了后级DC/DC的功率调节对非接触单元输出母线电压的影响，采用图解法解决了非接触变换器与后级DC/DC变换器级联时母线电压的取值问题，为分析两级系统的稳态特性带来方便；为估算母线电压的变化范围，对比了不同完全补偿条件下系统满功率输出时母线电压的大小，讨论了空载母线电压升高问题；为使非接触变压器运行状态最优，分析了变参数条件下非接触变压器最高效率点对应的频率条件和负载条件；给出了变参数条件下非接触变换器完全补偿点选取的优化设计流程，为电动汽车无线充电器的设计带来方便。
　　最后，论文依据性能指标，给出了7.5kW电动汽车无线充电器的设计过程；依据完全补偿点优化设计的研究结果，选取原副边正对、气隙条件为10cm时为完全补偿点；系统采用定频移相控制，在变参数条件下实现软开关并减小母线电压变化范围，实验验证了理论分析的正确性。所设计的7.5kW电动汽车无线充电器满载时整机最高效率为92.21％，在气隙变动50%且横向偏移宽度为变压器尺寸的20%时，可稳定输出5.05kW功率，整机效率为87.24%。

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注释表

第一章 绪 论

1.1电动汽车及其充电技术发展现状

1.2无线充电技术在电动汽车中的应用

1.3无线充电系统的组成与关键技术

1.4本文的研究意义及研究内容

第二章 串/并补偿的标幺化特性分析

2.1引言

2.2基于串/并补偿的非接触变换单元组成

2.3串/并补偿网络的基波等效模型

2.4适用于变参数条件下的变压器参数表示方法

2.5完全补偿时串/并补偿标幺化特性分析

2.6变参数条件下串/并补偿的标幺化特性分析

2.7本章小结

第三章 完全补偿点的选取研究

3.1引言

3.2完全补偿点的选取对软开关的影响

3.3完全补偿点的选取对母线电压的影响

3.4完全补偿点的选取对非接触变压器效率的影响

3.5完全补偿点优化设计流程

3.6本章小结

第四章7.5kW电动汽车无线充电器设计

4.1引言

4.2非接触变压器设计

4.3完全补偿点的选取

4.4系统硬件设计及实现

4.5系统控制策略及实现

4.6本章小结

第五章 7.5kW电动汽车无线充电器实验结果

5.1引言

5.2实验样机

5.3非接触变换单元的开环增益特性测试结果

5.4系统实验波形与数据

5.5本章小结

第六章 结束语

6.1本文总结

6.2下一步工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文