用于電動汽車的車載充電機(jī)高效率諧振變換器研究.pdf

1、在當(dāng)前環(huán)境持續(xù)惡化和石油資源儲量下降的雙重壓力下，電動汽車產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)獲得了快速發(fā)展。車載充電機(jī)作為電動汽車電能補(bǔ)給設(shè)備的核心部件，是解決續(xù)駛里程不足這一瓶頸的關(guān)鍵之一。本文就車載充電機(jī)應(yīng)用場合中 DC/DC諧振變換器的變換效率和功率密度的提高展開了深入的研究和討論。
　　本文在全面把握中大功率等級車載充電機(jī)的研究現(xiàn)狀和技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將提高整機(jī)變換效率的研究重點(diǎn)對準(zhǔn)后級諧振變換器。首先就傳統(tǒng)的傳導(dǎo)式充電機(jī)中具有高變換效率和

2、功率密度的LLC諧振變換器進(jìn)行了研究和探討。針對常規(guī)的諧振參數(shù)設(shè)計方法在面對高壓電池類負(fù)載的寬電壓、電流變動范圍這一特性上的不足，結(jié)合高壓動力鋰電池組的充電曲線對其充電過程進(jìn)行分析，提出了以恒定最大功率充電曲線上最苛刻工況點(diǎn)作為額定點(diǎn)的設(shè)計思路，采用頻域基波近似法分析并推導(dǎo)了該額定點(diǎn)的解析表達(dá)式。在針對最苛刻工況點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計的過程中，為了避免基波近似法所帶來的誤差，提出了使用基于“波形模板法”對該點(diǎn)的諧振波形進(jìn)行保守設(shè)計的思想，并據(jù)此總結(jié)

3、出一套解析式諧振參數(shù)設(shè)計方法，在確保實(shí)現(xiàn)全范圍原邊零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）的同時，能夠快速的完成變換器的設(shè)計，并在3.3kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　由于基波分析法忽略了副邊整流橋的軟開關(guān)情況，同時因近似性導(dǎo)致其無法保證LLC諧振網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部用以維持軟開關(guān)的無功功率最小化。針對這個問題，本文提出了一套基于時域模型的諧振參數(shù)優(yōu)化設(shè)計策略。根據(jù) LLC變換器的時域微分方程及其諧振工作過程，

4、對所有運(yùn)行模式的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和歸納，分析并指出了適于充電機(jī)應(yīng)用的具有雙邊軟開關(guān)能力的運(yùn)行模式。通過在 LLC變換器運(yùn)行模式的分布圖上對恒定最大功率充電這一過程進(jìn)行“軌跡設(shè)計”的方式，使充電的全過程始終保持在雙邊軟開關(guān)的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)。并以此按照所提出的優(yōu)化設(shè)計策略，設(shè)計了6.6kW樣機(jī)并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　另一方面，感應(yīng)式無線能量傳輸（Inductive Power Transfer，IPT）系統(tǒng)作為一類特殊的諧振變換器，其傳輸功

5、率的增大和傳輸效率的提高是將車載充電機(jī)推向智能化、無線化的關(guān)鍵。本文基于IPT系統(tǒng)的基本工作原理，討論了實(shí)現(xiàn)大功率、高效率無線能量傳輸?shù)膸讉€關(guān)鍵因素。針對傳統(tǒng)單純電容補(bǔ)償方式的不足，提出了一種采用LCC（一個電感、兩個電容）補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對IPT系統(tǒng)中的松耦合線圈進(jìn)行雙邊補(bǔ)償?shù)闹C振變換拓?fù)?，并基于基波分析法介紹了該拓?fù)浠竟ぷ髟?、工作特性。理論分析指出，使用該補(bǔ)償拓?fù)浼捌湓O(shè)計可以實(shí)現(xiàn)：原邊勵磁電流不受耦合和負(fù)載情況影響、定頻調(diào)壓控制以及電流

6、源輸出特性。在此基礎(chǔ)上，針對雙邊LCC補(bǔ)償拓?fù)淞阆嘟牵╖ero Phase Angle，ZPA）開關(guān)的屬性不適合 MOSFET型逆變器的問題，分析并推導(dǎo)了雙邊 LCC補(bǔ)償拓?fù)湓贛OSFET開關(guān)時刻的電流表達(dá)式，提出了在原LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的常規(guī)設(shè)計值基礎(chǔ)上，對副邊串聯(lián)補(bǔ)償電容的值做小幅調(diào)整的優(yōu)化方法，用以實(shí)現(xiàn)寬輸入/輸出電壓范圍內(nèi)原邊的ZVS運(yùn)行，并在8kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　此外，為了進(jìn)一步提高采用雙邊 LCC補(bǔ)償 IP

7、T系統(tǒng)的功率密度，本文提出了一種具有磁集成特征的LCC補(bǔ)償式磁耦合器結(jié)構(gòu)。通過采用磁集成技術(shù)，將LCC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與能量傳輸線圈進(jìn)行磁耦合器的一體化設(shè)計，可以有效地消除補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在磁耦合器外部所占用的空間。對磁集成結(jié)構(gòu)所引入的附加耦合在磁耦合器的設(shè)計、電路拓?fù)湟约把a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計方面的影響做了深入的分析，指出了設(shè)計中的關(guān)鍵所在，并在5.6kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　最后，本文還針對7kW高效率無線車載充電機(jī)系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計過程中的主

8、要難點(diǎn)問題做了研究和討論，包括系統(tǒng)總體方案、后級IPT變換器設(shè)計流程、前級變換器拓?fù)溥x擇等。該充電機(jī)系統(tǒng)采用三級變換結(jié)構(gòu)，前級4相交錯并聯(lián)式boost型PFC變換器的滿載效率可達(dá)97.5％；中間級4相交錯并聯(lián)型buck變換器，用于實(shí)現(xiàn)充電機(jī)系統(tǒng)的輸出功率調(diào)節(jié)；后級基于雙邊 LCC補(bǔ)償?shù)臒o線能量傳輸系統(tǒng)的滿載效率可達(dá)96%。無線充電機(jī)的整機(jī)變換效率在50%-100%負(fù)載范圍內(nèi)均高于90%，滿載峰值效率達(dá)到93%，實(shí)驗(yàn)表明，這一結(jié)果能夠滿足