【摘 要】
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充电技术的发展是电动汽车用户绿色出行的重要保障,是促进新能源汽车产业发展、助力碳中和目标实现的有力支撑。作为电动汽车的重要组成部分,现阶段的车载充电器(On Board Charger,OBC)不仅需要提供恒流/恒压的输出特性,还持续面临着不断拓宽的输出电压范围和效率指标的挑战;出于安全考虑,还要具备高可靠性。针对以上背景和需求,本文提出的直流变换器利用LLC谐振网络自身的电压源、电流源特性,来满
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充电技术的发展是电动汽车用户绿色出行的重要保障,是促进新能源汽车产业发展、助力碳中和目标实现的有力支撑。作为电动汽车的重要组成部分,现阶段的车载充电器(On Board Charger,OBC)不仅需要提供恒流/恒压的输出特性,还持续面临着不断拓宽的输出电压范围和效率指标的挑战;出于安全考虑,还要具备高可靠性。针对以上背景和需求,本文提出的直流变换器利用LLC谐振网络自身的电压源、电流源特性,来满足车载充电器宽范围输出、控制简单可靠等需求。首先,OBC的直流环节基于传统LLC谐振变换器拓扑,根据选频原理可知该网络具有串联和串并联两个谐振频率点。本文通过简化控制方法,在车载电池恒流充电阶段,使变换器运行于LLC谐振网络的串并联谐振点,也就是恒流输出工作点;随着充电电压上升,变换器的输出电流独立于负载变化而呈现出恒流特性,充分利用这一特性来实现宽范围电压调节;进入恒压充电阶段,使变换器运行在LLC谐振网络的串联谐振点,也就是恒压输出工作点;充电电荷趋于饱和但电池电压几乎保持不变,维护电池重复使用寿命。控制变换器在上述两个谐振频率点定频运行即可实现恒流/恒压充电模式的运行,因此,控制器复杂程度低,可靠性得以提高。其次,在串并联谐振的恒流输出点,LLC谐振网络处于的容性区,为了使开关管获得ZVS(Zero Voltage Switching)特性,本文通过在LLC谐振网络入口处并联一个辅助电感支路,为逆变桥臂注入补偿电流,使逆变器总体呈现感性,从而满足获得ZVS的条件。在恒压输出点,LLC谐振网络处于感性区,开关管能够获得ZVS。为了减小辅助支路带来的损耗,利用辅助开关将辅助支路断开,并通过控制辅助开关的关断时序,实现辅助电感电流的零电流关断,降低电压应力。最后,分别利用基波分析法(Fundamental Harmonic Approximation,FHA)与时域分析法,对变换器的特性进行分析。以优化变换器损耗和功率密度为目标,提出变换器参数设计方案,并利用PSIM软件进行验证;对变换器硬件进行设计,建立变换器的损耗模型,给出整体的效率评估;介绍变换器的模式切换方式,并采用闭环调节的方式来减小整流二极管的电流应力。搭建一个输出功率2k W的实验平台,对所提出的变换器原理性和参数设计的可行性进行验证,通过实验得到变换器的运行数据,并对所得到的数据进行分析。
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