【摘 要】
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电磁感应式能量传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术具有灵活、便捷和易于实现自动化充电的优点,可从能量供给上保证自动导引运输车(Automated Guided Vehicle,AGV)的全天候自动运行,对充分发挥AGV的优势具有重要意义。而非接触单管谐振变换器具有成本低,结构简单的优势,是中小功率AGV用IPT系统的优选方案。为了解决非接触单管谐振变换器存在的技术问
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(编号51677086);
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电磁感应式能量传输(Inductive Power Transfer,IPT)技术具有灵活、便捷和易于实现自动化充电的优点,可从能量供给上保证自动导引运输车(Automated Guided Vehicle,AGV)的全天候自动运行,对充分发挥AGV的优势具有重要意义。而非接触单管谐振变换器具有成本低,结构简单的优势,是中小功率AGV用IPT系统的优选方案。为了解决非接触单管谐振变换器存在的技术问题——高开关管电压应力、软开关对负载的高敏感性、错位和气隙变化问题,论文针对基于该方案的2000W IPT系统,围绕电路优化、控制策略和双线圈技术展开研究。论文首先建立了非接触单管谐振变换器的通用的等效电路模型,定量分析了软开关条件、开关管电压应力、软开关对负载的敏感性、功率传输能力等电路特性,为副边选择LCC补偿网络和参数设计流程提供量化依据。基于优化后的电路,搭建了1500W样机,实验验证了理论分析的正确性,可将重载下的开关管电压应力降低到2.65倍输入电压。其次,论文提出了ZVS和ZVDS(Zero Voltage Switching和Zero Voltage Derivative Switching)开通控制策略,使谐振阶段电路元件的初始能量自动跟踪负载变化,在保证全负载软开关的同时,减小原边的无功环流。论文分析了该控制下失谐工作的LCC补偿引起的频率“分叉”现象,给出了工作频段的选取依据,并证明了所提控制的优越性。实验验证了所提控制的有效性,在全负载范围内均可实现开关管的ZVS和ZVDS开通,轻载下开关管电压应力仅为2.29倍输入电压,轻载效率最多提高了11%。进一步,论文提出了非接触单管双线圈电路,利用两个非接触变压器各自传递的功率随错位和气隙变化而具有增减相反的特性,提高了变换器的错位及气隙变化适应能力。在推导其输出增益的基础上,给出并证明了实现最小输出波动的参数条件。采用双DD线圈,搭建了2000W实验样机,结合ZVS和ZVDS开通控制策略,在±7cm的横向、纵向错位范围内输出电流波动为1.313和1.089,在8~15cm的气隙变化范围内输出电流波动为1.238。最后,论文采用移相控制的可控整流桥方案,实现了蓄电池充电过程中的恒流恒压控制。结合所提出的非接触单管双线圈电路、ZVS和ZVDS开通控制策略,研制了一个2000W的充电样机,实验绘制了整个充电曲线,最高开关管电压应力为2.55倍输入电压,开关频率变化率仅为6.84%,效率最高为90.43%。并综合成本、效率和可靠性,论证了本文所研制的单管方案优于传统的桥式方案。
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