用于电动汽车的车载充电机高效率谐振变换器研究

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1、学校巧码１０６９９分类号ＴＭ４６—密矿学号２０１０１００４州ＮＯＲＴＨＷＥＳＴＥＲＮＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ博±学位论文圓、題目用于电动巧牟的车载充电祝１高效率谐振变换Ｗ究隆Ｉ倘職君Ｉ学科、专业电机与电器指导教师马瑞卿搬：申请学位曰期２０巧年１１月■＼．．ｔ■＊＞－■＞：—■：Ｌ＿．．＿．西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：用于电动汽车的车载充电机高效率谐振变换器研究作者：邓

2、钧君学科专业：电机与电器指导教师：马瑞卿教授2015年11月EfficientResonantConverterforOn-boradChargersofElectricVehiclesByDeng,JunjunUndertheSupervisionofProfessorMa,RuiqingADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityfortheDegreeofDoctorofPhilosophyXi’anP.R.ChinaNovermber2015摘要摘要在当前环境持

3、续恶化和石油资源储量下降的双重压力下，电动汽车产业在全球范围内获得了快速发展。车载充电机作为电动汽车电能补给设备的核心部件，是解决续驶里程不足这一瓶颈的关键之一。本文就车载充电机应用场合中DC/DC谐振变换器的变换效率和功率密度的提高展开了深入的研究和讨论。本文在全面把握中大功率等级车载充电机的研究现状和技术难点的基础上，将提高整机变换效率的研究重点对准后级谐振变换器。首先就传统的传导式充电机中具有高变换效率和功率密度的LLC谐振变换器进行了研究和探讨。针对常规的谐振参数设计方法在面对高压电池类负载的宽电压、电流变动范围这一特性上的不足，结合

4、高压动力锂电池组的充电曲线对其充电过程进行分析，提出了以恒定最大功率充电曲线上最苛刻工况点作为额定点的设计思路，采用频域基波近似法分析并推导了该额定点的解析表达式。在针对最苛刻工况点进行设计的过程中，为了避免基波近似法所带来的误差，提出了使用基于“波形模板法”对该点的谐振波形进行保守设计的思想，并据此总结出一套解析式谐振参数设计方法，在确保实现全范围原边零电压开关（ZeroVoltageSwitching,ZVS）的同时，能够快速的完成变换器的设计，并在3.3kW实验样机对该方法进行了验证。由于基波分析法忽略了副边整流桥的软开关情况，同时因近

5、似性导致其无法保证LLC谐振网络内部用以维持软开关的无功功率最小化。针对这个问题，本文提出了一套基于时域模型的谐振参数优化设计策略。根据LLC变换器的时域微分方程及其谐振工作过程，对所有运行模式的特点进行了总结和归纳，分析并指出了适于充电机应用的具有双边软开关能力的运行模式。通过在LLC变换器运行模式的分布图上对恒定最大功率充电这一过程进行“轨迹设计”的方式，使充电的全过程始终保持在双边软开关的运行区域内。并以此按照所提出的优化设计策略，设计了6.6kW样机并通过了实验验证。另一方面，感应式无线能量传输（InductivePowerTrans

6、fer,IPT）系统作为一类特殊的谐振变换器，其传输功率的增大和传输效率的提高是将车载充电机推向智能化、无线化的关键。本文基于IPT系统的基本工作原理，讨论了实现大功率、高效率无线能量传输的几个关键因素。针对传统单纯电容补偿方式的不足，提出了一种采用LCC（一个电感、两个电容）补偿网络对IPT系统中的松耦合线圈进行双边补偿的谐振变换拓扑，并基于基波分析法介绍了该拓扑基本工作原理、工作特性。理论分析指出，使用该补偿拓扑及其设计可以实现：原边励磁电流不受耦合和负载情况影响、定频调压控制以及电流源输出特性。在此基础上，针对双边LCC补偿拓扑零相角（

7、ZeroPhaseAngle，ZPA）开关的属性不适合MOSFET型逆变器的问题，分析并推导了双边LCC补偿拓扑在MOSFET开关时刻的电流表达式，提出了在原LCC补偿网络参数的常规设计值基础上，对副边串联补偿电容的值做小幅调整的优化方法，用以实现宽输入/输出电压范围内原I西北工业大学博士学位论文边的ZVS运行，并在8kW实验样机上进行了验证。此外，为了进一步提高采用双边LCC补偿IPT系统的功率密度，本文提出了一种具有磁集成特征的LCC补偿式磁耦合器结构。通过采用磁集成技术，将LCC补偿网络与能量传输线圈进行磁耦合器的一体化设计，可以有效地

8、消除补偿网络在磁耦合器外部所占用的空间。对磁集成结构所引入的附加耦合在磁耦合器的设计、电路拓扑以及补偿网络参数设计方面的影响做了深入的分析，指出了设计中的关键所在，