一种基于相控逆变器实现功率调节的电动汽车无线充电系统及方法

文档序号:8924672阅读:857来源:国知局
一种基于相控逆变器实现功率调节的电动汽车无线充电系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明为一种基于相控逆变器实现功率调节的电动汽车无线充电系统及方法,针 对电动汽车无线充电系统功率调节的功能,提出通过调整相控逆变器=相间的相角来控制 充电功率,本发明设及电动汽车无线充电技术领域,尤其是设及电动汽车无线充电系统中 对充电功率的控制方法。
【背景技术】
[0002] 电动汽车无线充电系统主要由停车位地面下的发送端电路和固定在车辆底盘上 的接收端电路组成,该两个电路中的线圈通过交替变化的磁场来交换电能。目前,在发送 端,大多采用D类全桥或半桥逆变电路结构作为高频电源模块,并通过调节逆变器工作频 率来控制输出电压、电流和功率,该种功率调节方式称为频率控制,对应的逆变器结构统称 为频率控制逆变器。对于频率控制逆变器,当工作频率与线圈的谐振频率接近时充电系统 功率输出增加,工作频率偏离线圈的谐振频率时充电系统输出降低,W此系实现统功率调 节,控制电动汽车无线充电过程。为提高电池充电效率及延长寿命,电动汽车充电电池的充 电过程需要经历=个阶段;恒流充电阶段、恒功率充电阶段和恒压充电阶段。频率控制方式 意味着无线充电系统工作在变频工作状态下,存在W下缺点:
[000引 I、系统噪声频谱宽且无法预测,导致比较困难的电磁兼容(Effl)问题,严重时甚 至损坏元器件;
[0004] II、设计电路时需要比较复杂的输出电压滤波器;
[0005] III、频率控制精度不高,工作频率的微小变化可能导致传输功率急剧变化。
[0006] 随着电动汽车和充电电池发展越来越快,电动汽车的推广和普及的也开始高速发 展,研究方便快捷与高效可靠的电动汽车充电策略成为其发展的必然趋势。相控逆变器可 W利用输出电压相位的改变来调节系统输出功率,提高电池使用均衡性和寿命,改善现今 电动汽车无线充电系统的充电功率控制精度,使系统输出满足充电电池组的充电规律,在 电能高效利用上有非常好的效果。

【发明内容】

[0007] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得W解决的:
[000引一种基于相控逆变器实现功率调节的电动汽车无线充电系统,其特征在于,通过 发送端的相控逆变器来控制谐振电路的输出电压,从而能够在不改变工作频率的情况下调 节充电电池组的输入功率,实现系统功率调节功能;其中,
[0009] 相控逆变器由=个半桥逆变器并联,其=相通过禪合变压器两两禪合,ICT的主要 功能为隔离、滤波和禪合;每个ICT由两股利兹线W麻花状揉合并在环状磁巧上绕制16圈 组成,其两股利兹线的四个接线端子中,一个端子作为输入连接到其中一个半桥逆变器的 输出端;两个端子作为禪合端与其余两个ICT禪合连接;余下的一个端子作为输出连接到 公共输出端;通过控制相控逆变器=相之间的电压相角,即能调整公共输出端的电压,从而 调节无线充电系统接收端的充电功率;所述相控逆变器=相之间的电压相角是=个半桥逆 变器的输出电压相角;所述公共输出端的电压是发送端的输出电压。
[0010] 包括发送端电路和接收端电路;其中,
[0011] 发送端电路包括一个相控逆变器,一个谐振电容和一个谐振电感组成,相控逆变 器由立个半桥路逆变器并联,其立相通过禪合变压器(IntercellTransformer,ICT)两两 禪合而成,ICT的主要功能为隔离、滤波和禪合,每个ICT由两股利兹线W麻花状揉合并在 环状磁巧上绕制16圈组成,其两股利兹线的四个接线端子中,一个端子作为输入连接到其 中一个半桥逆变器的输出端;两个端子作为禪合端与其余两个ICT禪合连接;余下的一个 端子作为输出连接到公共输出端。
[0012] 系统接收端由一个谐振电感,一个谐振电容,一个全桥整流器和一个滤波电容组 成,相控逆变器能够通过调整=相半桥路逆变器之间的电压相位值来控制谐振电路的输出 电压,能够在不改变工作频率的条件下调节充电电池组的输入功率,实现系统功率调节功 能。
[0013] 所述=个并联的D类半桥路逆变器,其=相之间通过ICT相互禪合,并与无线充电 系统的发射端谐振电路相接。=相相控逆变器通过控制相控逆变器=相之间的电压相角 (即S个半桥逆变器的输出电压相角),即能调整公共输出端的电压(亦即发送端的输出电 压),从而调节无线充电系统接收端的充电功率。
[0014] 在电能发送端结构中本发明使用=个最常见的D类半桥逆变器并联组成一个多 相相控逆变器结构。与D类全桥逆变器相比,多相相控逆变器在给定输出功率条件下流经 每个开关管的电流较小。在系统电能接收端结构中,本发明应用了一个带有D类全桥整流 器的串联谐振电路,系统的拓扑结构如图1所示。
[0015] 一种基于相控逆变器实现功率调节的电动汽车无线充电方法,其特征在于,是一 种变参数情况下的相控逆变器最小输入直流电压计算方法,具体是;将电池组在一个完整 的充电过程中的充电曲线离散化,所述充电曲线包括电流、电压、功率,离散化时每隔半小 时取一个点;并将发送端与接收端之间的可能禪合系数离散化,将电流、电压、功率进行组 合,分别求解满足充电功率条件下,各参数组合时的逆变器输入直流电压,并取其最大值作 为实现系统最小需求直流电压;对于某个特定的参数组合,根据系统发送端有功功率等于 电池充电功率与充电系统功率总损失之和列写方程,在S相之间相角为0时,求取逆变器 所需要的直流输入电压。
[0016] 将发送端与接收端之间的可能禪合系数离散化时,设定发送端与接收端可能距离 为12cm至30畑1,对应系统的禪合系数0. 34至0. 15,离散化时每隔0. 05取一个点。
[0017] 下面是针对系统的相控逆变器输出电压和相电流分析。
[001引对于禪合变压器ICT1、ICT2W及ICT3,其发送端的励磁电感分别为Lip、LipW及Lsp,接收端的励磁电感分别为Lis、Lis化及Lss,且假设所有的绕组拥有相同的参数,即励磁电 感江。=l2P=l3P=Lmag,Lis=L2s=L3s=Lmag)、漏电感keak和等效串联电阻巧SR)都相 等,其中Vi,V2,和Vs分别为S个逆变器输出电压的分量,巧为相移角。根据电动汽车无线 充电系统相控逆变器简化电路图可W得到相控逆变器每相输出电压的表达式 [0019]
[0022] 因此,相控逆变器的总输出电压和电流也可W用公式(2)和(3)分别表示
[0023]
[0025] 其中Zb是相控逆变器每相的阻抗,ZP是相控逆变器的负载阻抗,《是逆变器工作 角频率。方程似和做表明输出电压和电流均能通过调整相位来调节和控审Ij。下文中的 方程(14)则表明,其接收端的功率同样能通过调整相位来控制。公式(4)为在公式(2)和 (3)中部分参数的计算方法。
[0031] 其中ICT的电感值由励磁电感Lmag和漏电感Lleak组成,Zsrefleet为接收端映射到发 送端的等效阻抗,Zs为接收端阻抗,其中R,为实部,R。。^为接收端整流器输入阻抗,其阻抗 特性表达为容性,rcsc为接收端导通等效阻抗,《。为电路的谐振角频率。为了计算充电系 统在相控逆变器结构下的功率损失,需要计算每相的相电流,即

【附图说明】
[0035] 图1是电动汽车无线充电系统相控逆变器电路拓扑结构图。
[0036] 图2是充电系统相控逆变器简化电路图。
[0037] 图3是相控逆变器零电压切换条件检测仿真图。
[003引图4是电动汽车无线充电系统功率仿真图。
[0039] 图5是相控逆变器最小直流输入电压仿真图。
[0040] 图6是不同充电阶段相控逆变器相位
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