基于电动汽车无线充电的宽负载范围逆变器

摘要

中国科学院电工研究所、北京电动车辆协同创新中心、中国科学院大学的研究人员吉莉、廖承林等，在2018年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，电动汽车无线充电系统会工作在重载、轻载和空载等多种工况，因此其逆变器需要满足宽负载范围内的零电压开关（ZVS）要求。电动汽车无线充电系统一般采用移相全桥逆变器，而传统的移相全桥逆变器存在滞后臂难以实现ZVS的问题，无法满足宽负载工作范围的要求。

该文采用带辅助网络的电流增强型全桥逆变器拓扑，对电动汽车无线充电系统的宽输出范围逆变器进行设计，通过分析实际系统中的电压/电流尖峰产生机理，采用相应的尖峰抑制措施，搭建了宽范围输出的逆变器硬件系统，实验结果表明在系统重载、轻载和空载状态下，逆变器均能实现ZVS软开关。

随着环境污染问题的日益严重，能源危机迫在眉睫，大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车对于解决能源危机有着重要意义[1]。而电动汽车配套充电设施的建设、充电系统的安全性与便利性等都对电动汽车的发展和推广有着重要的影响。无线充电相比传统有线充电方式具有安全性高、便利性好、设施成本低等优点[2,3]，因此研究电动汽车的无线充电对于发展电动汽车、解决环境污染等问题至关重要。

在电动汽车电池充电过程中包含额定电流充电、小电流充电及大电流充电等多种工况，系统负载和功率输出范围较宽，这就要求电动汽车充电系统能够工作在较宽的功率输出范围[4-8]。无线充电系统的输出控制有多种手段，如DC-DC调幅控制[9]、逆变器输出控制和谐振网络补偿参数控制[10]等，逆变器输出控制因无需增加额外电路器件、成本低及易于实现等特点更为常用。

逆变器输出控制包括移相和调频等方法，其中移相控制相比调频控制具有不依赖系统频率特性的特点[11,12]，具有更广阔的应用场景。然而传统移相逆变器存在滞后臂难以修正零电压开关（Zero Voltage Switch, ZVS）的缺点[13,14]，当其应用在无线充电系统时，由于无线充电系统存在耦合系数低、反射电感小等客观背景，导致系统逆变器的滞后臂更加难以满足宽功率输出范围内的ZVS条件[2,15,16]。

本文首先分析了常见移相全桥ZVS逆变器的工作原理，针对其存在的问题和无线充电系统的特点，提出采用辅助网络[17]来实现电流增强型逆变器，以满足系统宽输出范围的应用需求。对采用电流增强型逆变器而产生的电压、电流尖峰干扰问题进行了分析，提出了相应的解决方法。最后，基于电流增强型逆变器拓扑进行了电路参数设计和硬件实现，并完成了仿真和实验验证。

实验结果表明，采用电流增强型逆变器后，逆变器的输出能够满足电动汽车无线充电过程中在空载、轻载以及重载三种不同工况下的ZVS软开关要求。

图6  高频逆变器硬件

结论

本文针对电动汽车无线充电宽调功范围的需求以及无线充电系统自身的特点，设计了采用辅助网络的电流增强型全桥逆变器。通过分析实际系统中的电压/电流尖峰产生机理，采取了相应的尖峰抑制措施，搭建了宽输出范围逆变器硬件系统，实验结果表明在系统重载、轻载和空载状态下，逆变器均能实现ZVS软开关。

进一步阅读，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊官方网站，可下载全文PDF版。

电工技术学报

010-68595315（编辑）

010-68595056（编务）

010-68594867（订阅）

邮箱：[e-mail]

电气技术

010-68595053（编辑）

010-68595026（编务）

010-68594867（订阅）

邮箱：[e-mail]

索取样刊

长按左侧二维码

索取《电气技术》样刊