基于短路解耦的电动汽车无线充电副边功率调节方法研究

摘要

近年来，为了进一步推进可持续发展的理念，政府推出各种促进电动汽车发展的政策，电动汽车产能随之增加，电动汽车的充电需求也越来越大。与传统供电方式相比，无线电能传输（WirelessPower Transfer,WPT）技术具有安全、灵活、可靠、易维护等优势，还可以实现电动汽车动态无线充电提高续航里程，是电动汽车的理想充电方式。　　通过闭环控制实现恒压、恒流供电是电动汽车充电的基本需求，副边功率调节方式由于更接近控制对象，反馈时延小，且不需要额外增加无线通信设备，具有更高的研究价值。本文研究电动汽车无线充电副边功率调节方法，采用新的可控短路整流桥进行副边短路解耦控制，通过研究其单双管控制策略和软开关工作模式，实现软开关以减小开关管应力和开关损耗。　　本文首先从基于短路解耦的电动汽车无线充电系统的原理结构出发，分析几种常用逆变器和谐振网络拓扑的优缺点，确定选用适用于大功率场合的全桥逆变器和具有较高抗偏移能力、恒流特性的LCC-LCC谐振网络拓扑，阐明了采用可控短路整流桥进行短路解耦的原理并分析其可以实现软开关。　　接着分析副边短路解耦控制的具体方案，阐明在单管和双管控制及半软开关和全软开关模式下的工作原理，并分别通过傅里叶分析建立其等效阻抗模型，通过电路平均法建立其充电电流模型，说明了单管半软开关模式在 50%电流点的切换问题。基于理论分析对比说明不同工作模式对系统功率因数、开关损耗、控制复杂度、输出特性的影响，同时描述了不同工作模式的适用场景。　　然后针对不同工作模式的特点选用不同的闭环控制方法，针对半软开关模式的特性采用PI控制，为解决积分饱和问题采用变速积分PI控制，针对全软开关模型的特性采用滑模变结构控制，建立充电电路模型，绘制其相轨迹，求取了切换函数；针对单管半软开关模式在 50%电流临界点的切换问题提出在临界点交换开关管工作模式的控制策略。　　最后进行系统整体设计，并给出部分关键外围硬件电路和软件控制流程，通过 MATLAB/Simulink 平台仿真验证不同工作模式下对应闭环控制方法的控制效果，仿真过程中进一步提出了改进的在 50%电流点进行积分补偿的控制策略，搭建实验装置进一步验证方案的可行性和有效性。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 电动汽车无线充电技术研究现状

1.2.2 短路解耦研究现状

1.3 研究目的及意义

1.4 本文主要研究内容

1.5本章小结

2 基于短路解耦的无线充电系统结构及原理

2.1高频逆变电路

2.2谐振网络

2.3副边短路解耦电路

2.4本章小结

3 副边短路解耦功率调节方案

3.1单管短路解耦控制

3.1.1 单管控制半软开关工作模式

3.1.2 单管控制全软开关工作模式

3.1.3 单管控制在50%电流临界点的切换问题

3.2双管短路解耦控制

3.2.1 双管控制半软开关工作模式

3.2.2 双管控制全软开关工作模式

3.3控制方案对比分析

3.3.1 等效输入阻抗对比分析

3.3.2 开关损耗及控制复杂度对比分析

3.4本章小结

4 闭环控制方法及系统实现

4.1半软开关模式的闭环控制方法

4.2全软开关模式的闭环控制方法

4.3系统整体结构设计

4.4系统硬件设计

4.4.1 控制器设计

4.4.2 检测及转换电路设计

4.4.3 开关管选型及驱动电路设计

4.5系统软件设计

4.6本章小结

5 仿真与实验验证

5.1系统仿真

5.1.1 半软开关模式仿真

5.1.2 全软开关模式仿真

5.2实验验证

5.3本章小结

6 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2后续研究工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利

B.作者在攻读硕士学位期间参与的项目及得奖情况

C.学位论文数据集

致谢