电动汽车动态无线充电系统设计与控制策略研究

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在全球变暖、能源危机、大气污染等时代大背景之下,传统机动车因其高污染、高排放等缺陷急需转型,而电动汽车因使用清洁能源而备受关注。但是由于我们在充电、储能两大技术难点上无法找到理想的解决方法,所以电动汽车依旧无法撼动传统机动车的市场地位。动态无线充电技术在电动汽车使用过程中进行充电,因能有效减少停泊充电时长与电池容量而具有广阔的应用前景。但汽车行驶过程中互感实时变动并导致输出功率的剧烈波动与控制策略的复杂化。本文以基于磁耦合谐振式的电动汽车动态无线充电技术作为研究对象,针对上述问题,从系统建模、补偿网络、整体设计等方面着手研究,通过电信号间的代数关系寻求互感实时检测的方法,并以此为基础设计系统的控制策略,以实现输出功率的恒定与发射线圈间的及时切换。在此过程中,本文重点研究了以下内容:1对四种基本补偿拓扑结构与LCL补偿拓扑结构进行研究并通过比较分析其优缺点,其中LCL补偿拓扑结构在合理配置参数的前提下能过实现发射线圈电流不受互感和负载变化的特点,因其能有效降低系统维度而更适用于复杂的动态无线充电场景。2对双发射线圈结构与耦合系数之间的关系进行研究,通过纽曼公式定量分析线圈长宽高与间距对互感的影响,并结合电动汽车特斯拉S的实际尺寸拟定系统的等比例模型,以实现系统电气性能与经济效益的折中。3对系统各电信号之间的代数关系进行研究,通过理论分析与公式化简推导出能够实时检测互感系数的方法,在互感已知的前提下通过移相控制调节输入电压的大小实现控制输出功率的恒定,并进一步分析互感检测在线圈间切换控制中的作用。4对系统中的谐波分量进行研究,通过快速傅里叶变换验证谐波分量对系统稳定性的影响,并通过加入无源滤波环节实现对系统的优化。针对逐步建立的基于LCL-S补偿拓扑的双发射线圈动态无线充电系统,本文通过Simulink仿真平台实现输出功率为35W的恒压控制,并通过设计与搭建实验平台,实现了接收线圈在位置发生有限偏移时的输出功率约34W的控制目标。实验结果误差小于3%,验证了全文理论分析的正确性与有效性。
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