系统的功率仿真结果。
[0087] 接收端的有功功率等于接收端映射到发送端的等效电阻消耗的有功功率，表示为 [008引
(巧）
[0089] 其中Ip为发送端电流的幅值，f挪巧
[0090]
(16)
[0091] 同时，接收端所有的有功功率能够用电池充电功率和充电系统功率总损失表示
[0092]
(20)
[0097] 假设[009引
[0099] 因此公式（19)能被化简为
[0100]
(21)
[0101] 当0为0时，求得的Vi是满足（21)式的相控逆变器的最小直流输入电压值，即
[0102] 9flF/+wr,+c=o (22)
[0103] 利用求解公式能够得出两个Vi的解，省略其中的负值，相控逆变器的直流输入电 压为
[0104]
(23)
[01化]如图5所示为在本发明实例设计参数下，相控逆变器最小直流输入电压仿真图。 从图中可W看出，较高的禪合系数和较低的电池等效阻抗情况下需要较高的最小直流输入 电压值。
[0106] 根据本发明实例设计的参数，将可变参数（电池行将电阻、禪合系数）的所有可能 值进行组合，依公式（23)可计算得到每种组合参数下，逆变器所需直流输入电压值。其最 大值（本实例仿真为358V)，可作为实例参数下的逆变逆变器最小直流输入电压值。
[0107] 3.相控逆变器控制相位角与效率计算
[0108] 在设定最小直流输入电压后（考虑到一定的裕量，设定为400V)，根据公式（21)可 得
[0110] 由此可计算出相控逆变器的相位角为[0111]
[0109] (24)
(巧）
[0112] 实际上，式（24)有两个解，但是省略了负数解。如图6所示为在400V直流输入电 压和=个典型禪合系数条件下，充电电池各个充电阶段需要的相位角，从中可W看出充电 系统在禪合系数k为0.34条件下，相位角从35°至92°逐渐增加，相位角范围始终满足相 控逆变器ZVS条件。
[0113] 在公式（11)和（14)W及图5中已经分析了带有相控逆变器的电动汽车无线充电 系统的功率损失。在比较相控逆变器和D类逆变器的效率之前需要先确定D类逆变器的直 流输入电压，该里假设D类逆变器为串联谐振结构，使用频率控制方法调节输出功率。采用 155V为全桥D类逆变器的直流输入电压，275V为半桥D类逆变器的直流输入电压。如图7a 和图化所示为除了考虑ICT功率损失之外，在所有计算功率损失情况下，半桥和全桥D类 逆变器的效率仿真结果。从中可W看出相控逆变器结构在大部分时间下（恒流与恒功率充 电期间）比D类逆变器结构具有更高的效率，而D类逆变器仅仅在充电距离较远（即禪合 系数较小），且为半桥结构情况下，才具有较高的效率。
[0114] 4.实验验证
[0115]为验证相控逆变器在电动汽车无线充电系统功率控制上的优势，本实例还对系统 进行了实验分析，制作了实验样机。通过实验分析，验证相控逆变器在电动汽车无线充电系 统中的科学性。
[0116] 在本发明实例实验中，使用的充电电池为8V的深度放电铅酸电池，9个电池串联 形成一个72V的电池组，发送端线圈和接收端线圈之间的距离约为20cm。测量的线圈互感 值为7. 33yH，互感系数k为0. 226,发送端和接收端的线圈电感值约为33. 6yH。实验中使 用了一个395. 9V的直流输入电源。整个电池充电时间分为S个部分，从开始之后的2个小 时为恒流阶段，接下来3. 5小时为恒功率阶段，最后的2. 5小时为恒电压阶段。在恒流阶段 充电电流为20A+ 0. 2A;当充电功率达到1500W之后，充电功率维持在1500W+15W;当充电 电压达到86. 6V之后，充电电压维持在86. 6V±0. 8V直到充电过程结束，此时的充电电流减 小为5. 7A。图8所示为电池充电过程实验结果，运用此结果可得到充电电池在不同充电阶 段的等效阻抗。
[0117] 如图9所示为在禪合系数k为0. 226情况下，相控逆变器相位角的实验结果和仿 真结果比较，仿真结果是基于公式（25)而得，其中阻抗的计算时每隔半小时测量电压和电 流计算而得。图10为整个充电阶段中充电功率示意图，从中可W看出充电功率在充电过程 一开始有所上升，之后保持在1.4kW到1.5kW，然后充电功率开始降低，该个趋势与在计算 功率损失时的仿真结果是一致的。图11所示为系统充电效率的实验结果与仿真结果对比， 两种结果误差为1%，充电效率变化规律一致。
[0118] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 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， 相控逆变器由三个半桥逆变器并联，其三相通过耦合变压器两两耦合，ICT的主要功 能为隔离、滤波和耦合；每个ICT由两股利兹线以麻花状揉合并在环状磁芯上绕制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；两个端子作为耦合端与其余两个ICT耦合连接；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三相之间的电压相角，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；所述相控逆变器三相之间的电压相角是三个半桥逆变 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。2. -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耦合系数离散化，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，在三相之间相角为O时，求取逆变器所 需要的直流输入电压。3. 根据权利要求2所述的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，将发送端与接收端之间的可能耦合系数离散化时，设定发送端与接收端可 能距离为12cm至30cm,对应系统的耦合系数0. 34至0. 15,离散化时每隔0. 05取一个 点。
【专利摘要】本发明提供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，本发明采用一种新型相控逆变器代替原有的D类全桥或半桥逆变器，在经过电压、电流和功率以及效率的分析后，可以实现通过调节相控逆变器输出电压的相位角来控制充电系统输出功率，获得方便快速与高效可靠的充电策略。最后通过实验验证了这种新型相控逆变器应用于电动汽车无线充电系统功率控制中的优势。
【IPC分类】H02J7/02, H02M3/335
【公开号】CN104901403
【申请号】CN201510359749
【发明人】邓其军, 陈诚, 刘姜涛, 周洪, 胡文山
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月25日