抑制电动汽车动态无线充电功率波动的磁集成方法

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电动汽车动态无线充电(Electric Vehicle Dynamic Wireless Charging,EVDWC)技术可以在电动汽车(Electric Vehicle,EV)运行过程中实现移动充电。近年来,EVDWC技术因有利于推动智能化道路的发展和解决EV续航里程焦虑问题而受到了国内外众多科研机构的重点关注,是一个前沿的热点技术方向。然而,EV上装载的接收线圈在动态拾取能量的过程中,其与地面发射线圈之间相对位置的变化以及相邻地面发射线圈的切换会引起发射与接收线圈之间的等效互感发生变化,进而导致系统输出功率不稳定。EV行进过程的输出功率波动主要由导轨切换和横向偏移引起,可能会导致车载端拾取电能不足、动力电池的充电过程不稳定以及安全性降低。针对此问题,现有文献主要围绕磁耦合机构的形状、控制策略与多相电流激励和阻抗匹配网络进行了相关的研究。然而由于EVDWC系统的通用性需求及实施难度、系统阶数及复杂程度、EV的快速移动、功率波动抑制效果等问题的限制,现有方法无法成为理想的解决方案,功率波动抑制亟待新的解决思路。功率平稳性问题的根源在于磁场及磁耦合参数的变化,通过磁集成技术在无线传能系统的磁耦合机构中置入额外的耦合电感线圈,与发射线圈或接收线圈共享磁路,带来的磁耦合参数映射到电路模型中,有望提高系统功率密度并改善功率传输特性。现有的无线传能系统磁集成技术研究聚焦于具有单个发射器和单个接收器的静态系统,迫切需要从磁集成技术的角度寻求新的解决思路,研究EVDWC系统中抑制功率波动的方法,实现EV行进过程的功率平稳性。然而,EVDWC系统的工作状态尤为复杂,伴随着EV在路面上移动时耦合参数的不断变化,多个时变的磁耦合参数使系统的工作特性和输出特性变得复杂,增加了系统建模及传输特性的分析难度。除此之外,系统综合性能包含EV在多个位置处的工作状态,几何尺度参数和系统电气性能的关联关系尚不明晰。本文围绕EVDWC系统中EV行进过程的功率平稳性问题,对抑制功率波动的磁集成方法展开研究。本文的创新研究工作主要体现在:(1)为了探索磁集成技术在EVDWC系统中的应用方法,对LCC-LCC无线传能系统的磁集成机制及特性展开分析,围绕谐振补偿电感磁集成方法和能量线圈复合电感磁集成方法,从整体层面分析集成线圈在电路模型中的作用,揭示其对能量传输特性和系统性能的影响机理。针对谐振补偿电感磁集成的三种工作模式,分析具有磁集成耦合机构的LCC-LCC无线传能系统工作原理,研究不同工作模式下的输出功率特性及系统性能。分析反向串联的集成复合电感线圈特性及工作原理,研究利用互感差值传输能量的输出特性及应用方法。研究表明,磁集成技术能够在使系统更加紧凑的基础上有效改善系统输出特性和性能。(2)从提升功率传输能力的角度,围绕EVDWC系统中导轨切换引起的输出功率波动问题,提出一种基于双通道传能的LCC-LCC补偿电感磁集成方法,构建新的能量传输通道用于补偿导轨切换位置的功率跌落。结合磁集成耦合机构,提出具有串联部分的复合LCC谐振网络拓扑,给出考虑额外交叉耦合的谐振参数匹配规则。研究表明,该方法无需额外的控制或增加新的元件,在系统正常运行的基础上实现了导轨的平滑切换。通过12 k W具有单耦合补偿电感磁集成的EVDWC系统样机实验,实现了接收线圈移动过程中波动在±4%以内的功率输出,系统DC-DC效率达到92.3%。(3)从优化能量传输模式的角度,围绕EVDWC系统中导轨切换引起的输出功率波动问题,提出一种基于互感差值传能的LCC-LCC反向绕组磁集成方法,将输出功率波动抑制问题转换成设计一个接收线圈与路面上发射线圈阵列之间稳定的等效互感。此外,提出一种多耦合谐振补偿电感磁集成方法以优化系统的零电压切换(Zero Voltage Switching,ZVS)条件。分析集成反向线圈对EVDWC系统中等效互感的影响特征,推导输入阻抗相位角与集成补偿电感线圈的磁耦合参数之间的函数关系。研究表明,该方法能够有效优化能量传输模式,通过转换单一互感为互感差值用于能量传输,平滑了EVDWC系统中用于能量传输的等效互感。通过4.5 k W具有串联的反向绕组磁集成的EVDWC系统样机实验,实现了接收线圈移动过程中波动在±4%以内的功率输出,系统DC-DC效率达到91.6%,且整个移动过程中逆变器工作在优化的ZVS条件。(4)在前面章节研究的基础上,从补偿横向偏移时功率跌落的角度,围绕EVDWC系统中EV行进过程的输出功率波动问题,提出一种基于同侧内部耦合的LCC-LCC可变电感磁集成方法,使用较小的直流电流实现系统输出功率跌落的补偿。提出平面型可变集成电感线圈,探索其磁耦合参数与同侧内部耦合电路参数之间的关联特征,分析其工作原理并给出电流激励方式和参数设计准则。研究表明,该方法结合提出的平面型可变集成电感,利用同侧内部耦合实现了EVDWC系统中EV行进过程的输出功率波动抑制。通过4.5 k W具有可变电感磁集成的EVDWC系统样机实验,实现了在10 cm横向偏移状态下接收线圈移动过程中波动在±5%以内的功率输出,系统DC-DC效率达到90.6%,且逆变器工作在优化的ZVS条件。本文的研究探索EVDWC系统中抑制功率波动的磁集成方法,实现EV行进过程中的功率平稳性,有助于推动EVDWC技术的发展及EV的应用。
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