电动汽车双向无线充电系统仿真与设计研究开题报告

 2020-02-18 07:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

近年来,随着能源危机以及环境问题日益严重,混合动力汽车和纯电动汽车(electric vehicles,evs)因其环保优势引起人们广泛的关注[1]。其中ev充电包括有线充电和无线充电两种方式。近年来无线电能传输技术的飞速发展,使得电动汽车无线充电技术成为学术界和工业界的研究热点。[2]目前无线充电有如下优势:

1) 便捷:无线充电系统可自动完成充电。当ev停靠在充电装置发射端上方时,ev开始自动充电,不需要人们手动连接充电线。

2) 安全:无限充电系统无有线充电时的金属接触,无插拔电线电弧现象及触电危险。有线充电电线放置在地面上易绊倒行人,特别是在公共停车场充电时。

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2. 研究的基本内容与方案

2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的基本内容

典型的EVs用无线充电系统结构如图1所示。首先通过AC-DC变换器将电网的交流电整流到直流;然后通过DC-AC逆变电路将直流逆变成高频(10~150 kHz)的方波交流电,经过发射端谐振补偿电路,发射端线圈中产生恒定的励磁电流,接收端线圈通过感应发射端线圈形成的高频强磁场得到感应电动势(AC);最后,通过AC-DC整流器给EV电池充电口。[9-11]

图1 典型的EV无线充电系统

图2(a)所示为双向无线电能传输的通用简化传输结构图。为保证系统双向可控和拓扑的对称性,原副边采用完全一致的谐振网络,且高频变换环节均采用全控H 桥实现。图中:为网侧经AC-DC变换(亦可加入DC-DC变换)而得到的直流母线电压;为副边全控桥的输出直流母线电压,该电压可经过滤波之后直接与车载电池相连,也可通过DC-DC变换器与电池连接。

图2 双向无线电能传输系统简化结构图

由于谐振网络自身具有带通滤波的特性,在该系统中可以仅考虑基波成分,从而将用于激励谐振网络的方波或准方波电压等效为交流电压源,如图2(b)所示。全控H桥可以通过调节桥臂间的相位差,控制其输出电压的等效幅值;而改变原副边H桥之间的参考相位差,可以调节原副边激励电压的相位差。反映到图2(b)中,即的幅值及相位差可控,这是双向无线传输区别于单向传输最大的特点之一。定义:

显然,当H桥内移相角为180°时,其输出为方波,此时的幅值达到最大,即

此外,为简化分析,本文假定系统无损且完全谐振,原副边的线圈以及谐振网络参数完全对称。

在电动汽车无线充电系统中,对参数变化和系统故障的容错能力直接影响到装置的可靠性和保护系统的复杂度。由于用户停车位置的不确定性,线圈间的互感是该系统中最为容易出现偏差的参数之一。由于实际系统通常会基于线圈完全正对时的参数进行设计,使得实际运行中互感降低的可能性要远高于互感升高。而互感降低的极致,即等同于原边线圈单独工作的工况。此外,副边线圈开路故障同样会导致这类工况。因此,在互感降低乃至副边完全消失的情况下,仍能保障系统安全,是电动汽车无线充电系统的一项重要指标。另一方面,副边短路是实际中较为常见的严重故障之一,电池故障、变换器直通、电容击穿等都会造成这一情况。若传输系统自身具有在副边短路情况下工作的能力,则相关的故障保护系统将大大简化。[12]

此外,传输结构在特定工况下的最大传输功率及传输特定功率时谐振电容的电压,同样属于谐振拓扑需要评估的重要性能。

在谐振拓扑方面,双向无线充电系统可以选择以LCL串联型为代表的基本谐振拓扑结构,也可以选择以LCC为代表的复合谐振拓扑结构。

2.1.1LCL谐振拓扑

LCL谐振拓扑在并联谐振的基础上加上了额外的谐振电感,并使其与相等,在完全谐振的情况下,有

其等效电路如图3所示:

图3 LCL谐振拓扑简化电路图

分别列写原副边的KVL方程,有

化简得到:

系统传输功率为:

系统的相量图如图4(a)所示。

图4 LCL谐振拓扑下的相量图

可见,在LCL结构中,当落后于时,功率正向传输。但在不考虑传输方向的情况下,其取得最大传输功率的条件是H桥均输出最大等效电压且时,即

互感降低工况由式7可以看出,,由于线圈电流只与本侧的激励电压有关,表现为独立电流源特性,因此在互感降低乃至另一侧完全消失的情况下,线圈电流都将维持不变。而变换器输出电流则随互感的降低而减小。

在副边出现短路时,将保持不变,归零,同样属于安全工况。[13]

2.1.2LCC谐振拓扑

LCC谐振拓扑来源于LCL拓扑,如图5所示,在线圈支路上串入隔直电容,并让其也参与谐振,使得线圈电感与隔直电容串联之后等效于LCL拓扑的线圈电感。即

图5 LCC谐振拓扑简化电路图

在该谐振拓扑中,若将串联后各自看作整体,则该拓扑的相关电流和功率公式可类比LCL结构中的结论,不再重新推导。但需要说明的是,类比之后该拓扑最大传输功率为:

在LCL拓扑中,因为于是上述公式演变为式(9)。而对于LCC,由于势必有,因此可以在保持线圈电感和耦合系数不变的情况下,增加最大传输功率。

将LCL改进为LCC,可以在保持传输线圈和耦合系数不变的情况下,减小等效线圈电感并增大耦合系数,从而从两方面增大传输功率。

更进一步,考虑双边完全对称系统,对比在相同线圈电感、耦合系数、谐振频率和电源电压的情况下LCL和LCC的最大传输功率,可得:

通过合理选取隔直电容参数,LCC拓扑的最大传输功率可以大于LCL拓扑。

综上所述,LCC结构很好地解决了LCL结构传输功率偏低的问题。[14-15]

2.2设计目标

1.查阅不少于10篇的相关文献资料,其中英文文献不少于3篇,完成开题报告。

2.要求对电动汽车双向无线充电系统进行拓扑结构设计,并进行仿真研究。

3.撰写论文。论文正文字数不少于15000字。设计图纸不少于3张。

2.3拟采用的技术方案及措施

1.认真学习任务书内容,制定设计计划和方案。

2.了解设计需要的资料,以及学会仿真所需要的软件的使用方法。

3.开始的拓扑结构设计阶段初步确定方案,与老师沟通修改方案中不合理的地方。

4.确定双向无线充电拓扑结构的类型以及各参数,绘制出基本的拓扑结构图相量图。

5.结构设计部分包含电容电感的计算,耦合系数的计算以及最大传输功率的计算。

6.比较双向无限充电系统拓扑结构不同类型的优劣,找出较为合适的拓扑结构。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

1-2周查阅相关文献资料;

3-4周撰写开题报告,

2019.3.08前上传开题报告;每三周上传一次阶段性成果;

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4. 参考文献(12篇以上)

4.参考文献

[1] 曹玲玲,陈乾宏,任小永,等.电动汽车高效率无线充电技术的研究进展[j].电工技术学报,2012,27(8):1-13.

[2] li s q,mi c c.wireless power transfer forelectric vehicle applications[j].ieee journal of emerging and selected topicsin power electronics,2015,3(1):4-17.

[3] 祝文姬,孙跃,高立克.电动汽车多导轨无线供电方法[j]. 电力系统自动化,2016,40(18):97-101.doi:10.7500/aeps20150730005

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