电动汽车无线充电系统调压策略的研究与性能优化

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随着人们节能环保意识的增强,电动汽车受到越来越多的关注,而如何实现安全便捷的电池充电是电动汽车研究的重点内容。无线充电凭借安全稳定、维护方便等优点在多种充电方式中脱颖而出。但是在实际应用中,高频开关管的硬开关状态会产生开关损耗,并且负载和互感参数的变化会对充电电压和传输效率造成影响。因此,针对上述问题,本文在研究零电压开关(Zero Voltage Switching,ZVS)技术的同时分析了发射端和接收端的调压方法,并通过控制电压传输比来实现系统效率的整体优化,主要研究内容如下:首先,建立了系统耦合机构的互感等效模型,并针对耦合机构中电感所导致的系统传输能力较低的问题,引出了谐振补偿拓扑。通过对不同拓扑补偿特性的研究对比,选择串联-串联型拓扑为研究对象,并对其输出特性进行了分析。最后结合仿真研究了系统输出性能的影响参数,为效率优化奠定了理论基础。其次,针对系统逆变电路高频化带来的开关损耗问题,通过增加辅助LR支路来构成ZVS逆变电路,从而为寄生电容提供额外的放电电流,实现功率器件的ZVS。之后介绍了移相脉宽调制(Phase Shift Pulse Width Modulation,PSPWM)和改进脉冲密度调制(Pulse Density Modulation,PDM)的工作状态、调压原理以及ZVS实现条件。针对PSPWM的辅助电流大和改进PDM的电流波动问题,在低脉冲密度时使用混合调制,其余情况采用改进PDM。最后通过PSIM仿真验证了理论的正确性。再次,针对负载和互感变化时输出电压不稳定的问题,采用增强PDM对半控整流电路的工作模式进行组合从而实现稳压控制。通过对不同模式组合下PDM原理的分析,给出了增强PDM的实现方法并推导了负载电压和输出功率表达式。同时将半控整流的稳压策略与ZVS逆变电路控制相结合,通过控制电压传输比实现了优化效率,并利用PSIM软件验证了控制策略的有效性。最后,设计了基于DSP的电动汽车无线充电实验平台,并对驱动系统软硬件的主要部分进行了介绍;继而对本文所提出的控制策略进行实验验证,结果表明,辅助电流保证了逆变电路的ZVS,负载电压能够稳定在100V并且电压纹波减小,而传输效率得以提升。
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