一種基于相控逆變器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的電動汽車無線充電系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明為一種基于相控逆變器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的電動汽車無線充電系統(tǒng)及方法，針 對電動汽車無線充電系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)的功能，提出通過調(diào)整相控逆變器=相間的相角來控制 充電功率，本發(fā)明設及電動汽車無線充電技術(shù)領域，尤其是設及電動汽車無線充電系統(tǒng)中 對充電功率的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動汽車無線充電系統(tǒng)主要由停車位地面下的發(fā)送端電路和固定在車輛底盤上 的接收端電路組成，該兩個電路中的線圈通過交替變化的磁場來交換電能。目前，在發(fā)送 端，大多采用D類全橋或半橋逆變電路結(jié)構(gòu)作為高頻電源模塊，并通過調(diào)節(jié)逆變器工作頻 率來控制輸出電壓、電流和功率，該種功率調(diào)節(jié)方式稱為頻率控制，對應的逆變器結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱 為頻率控制逆變器。對于頻率控制逆變器，當工作頻率與線圈的諧振頻率接近時充電系統(tǒng) 功率輸出增加，工作頻率偏離線圈的諧振頻率時充電系統(tǒng)輸出降低，W此系實現(xiàn)統(tǒng)功率調(diào) 節(jié)，控制電動汽車無線充電過程。為提高電池充電效率及延長壽命，電動汽車充電電池的充 電過程需要經(jīng)歷=個階段；恒流充電階段、恒功率充電階段和恒壓充電階段。頻率控制方式 意味著無線充電系統(tǒng)工作在變頻工作狀態(tài)下，存在W下缺點：
[000引 I、系統(tǒng)噪聲頻譜寬且無法預測，導致比較困難的電磁兼容（Effl)問題，嚴重時甚 至損壞元器件；
[0004] II、設計電路時需要比較復雜的輸出電壓濾波器；
[0005] III、頻率控制精度不高，工作頻率的微小變化可能導致傳輸功率急劇變化。
[0006] 隨著電動汽車和充電電池發(fā)展越來越快，電動汽車的推廣和普及的也開始高速發(fā) 展，研究方便快捷與高效可靠的電動汽車充電策略成為其發(fā)展的必然趨勢。相控逆變器可 W利用輸出電壓相位的改變來調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率，提高電池使用均衡性和壽命，改善現(xiàn)今 電動汽車無線充電系統(tǒng)的充電功率控制精度，使系統(tǒng)輸出滿足充電電池組的充電規(guī)律，在 電能高效利用上有非常好的效果。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得W解決的：
[000引一種基于相控逆變器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的電動汽車無線充電系統(tǒng)，其特征在于，通過 發(fā)送端的相控逆變器來控制諧振電路的輸出電壓，從而能夠在不改變工作頻率的情況下調(diào) 節(jié)充電電池組的輸入功率，實現(xiàn)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)功能；其中，
[0009] 相控逆變器由=個半橋逆變器并聯(lián)，其=相通過禪合變壓器兩兩禪合，ICT的主要 功能為隔離、濾波和禪合；每個ICT由兩股利茲線W麻花狀揉合并在環(huán)狀磁巧上繞制16圈 組成，其兩股利茲線的四個接線端子中，一個端子作為輸入連接到其中一個半橋逆變器的 輸出端；兩個端子作為禪合端與其余兩個ICT禪合連接；余下的一個端子作為輸出連接到 公共輸出端；通過控制相控逆變器=相之間的電壓相角，即能調(diào)整公共輸出端的電壓，從而 調(diào)節(jié)無線充電系統(tǒng)接收端的充電功率；所述相控逆變器=相之間的電壓相角是=個半橋逆 變器的輸出電壓相角；所述公共輸出端的電壓是發(fā)送端的輸出電壓。
[0010] 包括發(fā)送端電路和接收端電路；其中，
[0011] 發(fā)送端電路包括一個相控逆變器，一個諧振電容和一個諧振電感組成，相控逆變 器由立個半橋路逆變器并聯(lián)，其立相通過禪合變壓器（IntercellTransformer,ICT)兩兩 禪合而成，ICT的主要功能為隔離、濾波和禪合，每個ICT由兩股利茲線W麻花狀揉合并在 環(huán)狀磁巧上繞制16圈組成，其兩股利茲線的四個接線端子中，一個端子作為輸入連接到其 中一個半橋逆變器的輸出端；兩個端子作為禪合端與其余兩個ICT禪合連接；余下的一個 端子作為輸出連接到公共輸出端。
[0012] 系統(tǒng)接收端由一個諧振電感，一個諧振電容，一個全橋整流器和一個濾波電容組 成，相控逆變器能夠通過調(diào)整=相半橋路逆變器之間的電壓相位值來控制諧振電路的輸出 電壓，能夠在不改變工作頻率的條件下調(diào)節(jié)充電電池組的輸入功率，實現(xiàn)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)功 能。
[0013] 所述=個并聯(lián)的D類半橋路逆變器，其=相之間通過ICT相互禪合，并與無線充電 系統(tǒng)的發(fā)射端諧振電路相接。=相相控逆變器通過控制相控逆變器=相之間的電壓相角 (即S個半橋逆變器的輸出電壓相角），即能調(diào)整公共輸出端的電壓（亦即發(fā)送端的輸出電 壓），從而調(diào)節(jié)無線充電系統(tǒng)接收端的充電功率。
[0014] 在電能發(fā)送端結(jié)構(gòu)中本發(fā)明使用=個最常見的D類半橋逆變器并聯(lián)組成一個多 相相控逆變器結(jié)構(gòu)。與D類全橋逆變器相比，多相相控逆變器在給定輸出功率條件下流經(jīng) 每個開關(guān)管的電流較小。在系統(tǒng)電能接收端結(jié)構(gòu)中，本發(fā)明應用了一個帶有D類全橋整流 器的串聯(lián)諧振電路，系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0015] 一種基于相控逆變器實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的電動汽車無線充電方法，其特征在于，是一 種變參數(shù)情況下的相控逆變器最小輸入直流電壓計算方法，具體是；將電池組在一個完整 的充電過程中的充電曲線離散化，所述充電曲線包括電流、電壓、功率，離散化時每隔半小 時取一個點；并將發(fā)送端與接收端之間的可能禪合系數(shù)離散化，將電流、電壓、功率進行組 合，分別求解滿足充電功率條件下，各參數(shù)組合時的逆變器輸入直流電壓，并取其最大值作 為實現(xiàn)系統(tǒng)最小需求直流電壓；對于某個特定的參數(shù)組合，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)送端有功功率等于 電池充電功率與充電系統(tǒng)功率總損失之和列寫方程，在S相之間相角為0時，求取逆變器 所需要的直流輸入電壓。
[0016] 將發(fā)送端與接收端之間的可能禪合系數(shù)離散化時，設定發(fā)送端與接收端可能距離 為12cm至30畑1，對應系統(tǒng)的禪合系數(shù)0. 34至0. 15,離散化時每隔0. 05取一個點。
[0017] 下面是針對系統(tǒng)的相控逆變器輸出電壓和相電流分析。
[001引對于禪合變壓器ICT1、ICT2W及ICT3,其發(fā)送端的勵磁電感分別為Lip、LipW及Lsp，接收端的勵磁電感分別為Lis、Lis化及Lss，且假設所有的繞組擁有相同的參數(shù)，即勵磁電 感江。=l2P=l3P=Lmag，Lis=L2s=L3s=Lmag)、漏電感keak和等效串聯(lián)電阻巧SR)都相 等，其中Vi，V2,和Vs分別為S個逆變器輸出電壓的分量，巧為相移角。根據(jù)電動汽車無線 充電系統(tǒng)相控逆變器簡化電路圖可W得到相控逆變器每相輸出電壓的表達式 [0019]
[0022] 因此，相控逆變器的總輸出電壓和電流也可W用公式（2)和（3)分別表示
[0023]
[0025] 其中Zb是相控逆變器每相的阻抗，ZP是相控逆變器的負載阻抗，《是逆變器工作 角頻率。方程似和做表明輸出電壓和電流均能通過調(diào)整相位來調(diào)節(jié)和控審Ij。下文中的 方程（14)則表明，其接收端的功率同樣能通過調(diào)整相位來控制。公式（4)為在公式（2)和 (3)中部分參數(shù)的計算方法。
[0031] 其中ICT的電感值由勵磁電感Lmag和漏電感Lleak組成，Zsrefleet為接收端映射到發(fā) 送端的等效阻抗，Zs為接收端阻抗，其中R,為實部，R。。^為接收端整流器輸入阻抗，其阻抗 特性表達為容性，rcsc為接收端導通等效阻抗，《。為電路的諧振角頻率。為了計算充電系 統(tǒng)在相控逆變器結(jié)構(gòu)下的功率損失，需要計算每相的相電流，即
【附圖說明】
[0035] 圖1是電動汽車無線充電系統(tǒng)相控逆變器電路拓撲結(jié)構(gòu)圖。
[0036] 圖2是充電系統(tǒng)相控逆變器簡化電路圖。
[0037] 圖3是相控逆變器零電壓切換條件檢測仿真圖。
[003引圖4是電動汽車無線充電系統(tǒng)功率仿真圖。
[0039] 圖5是相控逆變器最小直流輸入電壓仿真圖。
[0040] 圖6是不同充電階段相控逆變器相位