PDF《副边自动切换充电模式的电动汽车无线充电系统设计》

1 恒流/恒压输出原理及切换条件分析 1.

1 原边和副边恒流输出原理分析 基于电压源的 WP T 系统等效电路结构如图1 所示.其中, Ui n 为电源输入电压, I i n 为输入电 流, Io u t为负载输出电流, Uo u t为负载输出电压, Z1, Z2, Z3 分别代表电感、 电容、 短路或开路.

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1 第4 1卷第2 3期2017年1 2月1 0日Vol.41N o .

2 3D e c .

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1 7 D O I :

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0 9

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6 图1 基于电压源的 WP T系统等效电路结构 F i g .

1 E q u i v a l e n t c i r c u i t s t r u c t u r eo fWP T s y s t e mb a s e do nv o l t a g e s o u r c e 由图1可知: Ui n= I i n Z1+( I i n- Io u t) Z3= I i n( Z1+Z3) + Io u t Z3= I i n Δ+ Io u t Z3 (

1 ) 其中: Δ=Z1+Z3 (

2 ) 由式(

1 ) 可知, 当Δ=0时, 负载端的输出电流 在输入电压和补偿电感/电容确定的前提下保持恒 定, 不随线圈之间的偏离和负载的变化而变化.此时Io u t为: Io u t= Ui n Z3 (

3 ) 满足Δ=0的电路结构包括附录 A 表A1中的 恒流1和恒流2两种结构, 两种结构下, 系统谐振角 频率可以根据 Δ=0 计算得出, 列入附录 A 表A1的第3列.对于原边的补偿结构, 还需要考虑逆变 器的软开关特性, 因此一般选用恒流1结构, 对于副 边的补偿结构, Z1 为电感, 即副边的补偿结构只能 选用恒流1结构, 满足恒流1结构的补偿结构包括 L C L [

1 3 G

1 6] 和LCC[17G19]等. 1.

2 副边恒压输出原理分析 根据1. 1节的分析, 若原边采用恒流1结构作 为谐振补偿网络结构, 则原边线圈输出的电流恒定. 根据电磁感应定律, 当线圈固定位置后, 副边的感应 电源为一个恒压源, 其等效电路与图1一致. 对图1可以列以下方程组: Ui n= I i n Z1+( I i n- Io u t) Z3 Ui n= I i n Z1+ Io u t Z2+ Uo u t Uo u t= Io u t R ì ? í ? ? ? ? (

4 ) 可以解得: Uo u t Ui n = Z3 Z1+Z3+ Z1 Z2+Z2 Z3+Z1 Z3 R = Z3 Z1+Z3+ λ R (

5 ) 其中: λ=Z1 Z2+Z2 Z3+Z1 Z3 (

6 ) 由式(

5 ) 可知, 当λ=0时, 负载端输出电压与负 载R 无关, 此时输出电压为: Uo u t= Z3 Z1+Z3 Ui n (

7 ) 作为副边电路, Z1 为电感, 令Z2 和Z3 分别为 电感、 电容、 短路或开路, 可以得到附录 A 表A2所 示的4种可用的恒压输出组合, 不同组合下电路的 谐振角频率可以通过求解λ=0 得到, 列入附录 A 表A2的第3列. 1.

3 副边输出恒流模式向恒压模式切换网络分析 作为副边电路, Z1 为电感, 即副边在恒流充电 时的谐振补偿网络结构选用附录 A 表A1中的恒流 1结构.为了实现副边在免通信的前提下完成充电 模式的自动切换, 则副边在恒流充电阶段和恒压充 电阶段的系统谐振角频率需保持一致.由附录 A 表A1和表 A

2 可知, 为了不改变系统的谐振角频 率, 可以通过切换副边谐振补偿网络参数的方法来 实现, 切入或切出的谐振补偿网络参数值需要结合 附录 A 表A1和表 A 2综合分析来确定.满足以上 条件的切换方案可以有多种.附录 A 表A3给出了 3套可行的切换方案, 其中 L1 和C1 是系统在恒流 模式下的网络参数, L2 和C2 是需要切入/切出的网 络参数. 1.

4 副边输出恒流向输出恒压的切换条件分析 在副边输出从恒流模式切换到恒压模式时, 由 于电池的充电特性, 在切换时刻, 电池充电电压不能 发生剧烈的跳变.如果电压急剧减小, 电池将不能 进行充电, 导致充电的失败, 如果电压急剧增加, 将 导致电池的过压充电, 缩短电池的使用寿命[ 6] .因此, 需要对恒流模式向恒压模式切换时的切换条件 进行分析. 设电池在t时刻需要从恒流模式向恒压模式切 换.电池在t- 时刻处于恒流模式时的电压记为UC C( t- ) , 此时电池的等效电阻为 R( t- ) , 在切换瞬 间电池的等效电阻不会发生跳变, 谐振补偿网络参 数在t- 时刻记为Zi( t- ) , 其中i=1, 2, 3.电池在 t+ 时刻处于恒压模式时的电压记为UC V ( t+ ) , 谐振 补偿网络参数在t+ 时刻记为Zi( t+ ) , 其中 i=1, 2, 3.由式(