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串联型双输入非接触谐振变换器的研究

吴昊  
【摘要】:随着能源与环境问题的日益突出,电动汽车由于其清洁环保受到人们广泛的关注。纯电动汽车的动力来源主要来自于车内动力电池的储能,采用无线供电技术为电动汽车进行行驶中充电,可以降低系统对动力电池容量的要求,同时相比于传统接触式充电将更加安全便捷。 本文的研究立足于电网/可再生能源联合供电系统,该系统为充分利用可再生能源,将其做为系统的输入源之一,能够最大程度发挥电动汽车的环保优势。从系统集成度的角度出发,采用双输入非接触谐振变换器完成两输入源能量汇集和无线传输,相比于多个独立变换器更加简洁,但也为电路拓扑的选取以及控制策略的设计提出了难题。 论文首先分析了非接触谐振变换器的基本组成,从开关网络和谐振网络变换的角度进行了多输入变换器的拓扑变换,给出了输入源串并联和磁通耦合两类方案,为了避免环流问题,本文最终选择串联型双输入非接触谐振变换器做为论文研究的对象。 串联型双输入非接触谐振变换器开关管数目较多,控制策略灵活多样,设计时应满足系统工作的需求。论文分析了系统的能量传输模式,根据各部分的能量变换特性,指出控制策略应保证可再生能源能量单向传输和优先利用。论文将该原则应用到所提出的基波同相和滞后桥臂同步开关的两种调制策略的对比中,指出滞后桥臂同步开关策略有利于软开关的实现,但要保证全部控制区域可再生能源能量单向传输,应采用基波同相的调制策略。本文在该调制策略下,利用开关函数,对变换器不同工作模式下的工作特性进行了统一分析,推导了变换器的输入输出关系、直流输入电阻和实现ZVS条件。根据工作特性分析得到的控制逻辑,论文提出了复合控制的方法,并将其应用到可再生能源输入源中,得到“复合+PWM”控制的策略,但由于两输入源开关频率耦合,仅由可再生能源决定开关频率会限制系统传输功率的能力,出现输出电压失控的现象。因此,本文进一步提出了两路复合控制的策略,开关频率由承担功率较大的输入源决定,可以解决电压失控的问题,并且在输入功率相差不大时,能够同时实现两全桥网络的ZVS。 最后,本文设计并搭建了一台1800W串联型双输入非接触谐振变换器的实验样机,并进行了实验研究。在单输入工作模式下,10mm气隙输出1800W效率达到87.8%;20mm气隙输出1800W效率达到82.1%。而两输入源同时供电的实验结果验证了两路复合控制的有效性,解决了单路复合控制中输出电压失控的问题,并给出两路定频PWM控制和两路复合控制效率对比结果,发现输入功率相差不大时,两路复合控制效率更高。


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