Elektrikli Araç Kablosuz Şarj Sisteminin Topolojisi ve Kontrol Stratejisi Üzerine Araştırma
Liu Xintian, Qin Wenwen, Zheng Xinxin
(Bilim ve Teknoloji Enstitüsü, Hefei Teknoloji Üniversitesi, Hefei 230009, Anhui)
Yeni bir elektrikli araç kablosuz şarj sisteminin topolojisi ve kontrol stratejisi incelenmiştir. Çift kapalı döngü kontrollü AC / DC ve çift kapalı döngü kontrollü DC / DC yapısı benimsenmiştir.Geleneksel kontrol sistemindeki kablosuz sinyal geri bildirim modülü kaldırılarak Güç Faktörü Düzeltme (PFC) ve yumuşak anahtarlama teknolojisi eklenmiştir. MATLAB / Simulink ortamında şarj kontrol sistemi simüle edildi, AC / DC, manyetik kuplaj ve DC / DC dönüşüm devreleri oluşturuldu, pil şarj işlemi simüle edildi ve şarj sistemi PCB tasarlandı ve son olarak doğrulama için donanım platformu oluşturuldu Programın fizibilitesi ve istikrarı.
Güç faktörü düzeltmesi; yumuşak anahtarlama; elektrikli araç; kablosuz şarj
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TM46 belge tanımlama kodu: ADOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.05.038
Çince alıntı biçimi: Liu Xintian, Qin Wenwen, Zheng Xinxin.Elektrikli Araçlar için Kablosuz Şarj Sisteminin Topolojisi ve Kontrol Stratejisi Üzerine Araştırma. Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2017, 43 (5): 155-158.
İngilizce alıntı biçimi: Liu Xintian, Qin Wenwen, Zheng Xinxin.Elektrikli araç için kablosuz şarj sisteminin topolojisi ve kontrol stratejisi üzerine araştırma.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (5): 155-158.
0 Önsöz
Elektrikli araçların gelişimi, enerji tasarrufu, çevre koruma ve düşük karbon ekonomisine ihtiyaç duyulmasıdır.Elektrikli araçların şarj cihazı, otomobil yakıtı dolum istasyonuna eşdeğerdir.Kablolu şarj yığınlarının ve büyük tantana ile şarj istasyonlarının yurt içinde yapılmasıyla birlikte, kablosuz güç kaynağı yurtdışında artmaya başlamıştır. Gelecekte elektrikli araç güç kaynağı teknolojisinin gelişme trendi.
Şu anda, elektrikli araçların kablosuz şarjı için daha yaygın bir çözüm Şekil 1'de gösterilmektedir. Şarj cihazının verici ucu, şarj yerinin zeminine gömülüdür ve alıcı ucu aracın altına yerleştirilmiştir. Şarj cihazı temel olarak gevşek bir şekilde bağlanmış bir transformatör ve bir şarj devresinden oluşur. Verici uç ile alıcı uç arasında güç iletimi ve geri bildirim sinyali geri dönüşü için kullanılan enerji iletim kanalları ve bilgi iletim kanalları vardır. Gönderen uçtaki akım ve alıcı uçtaki voltaj bir kapalı döngü kontrolü oluşturur Kapalı döngü kontrol sisteminin geri besleme devresinde, birincil yan akım geri besleme devresi ve kontrol devresi, sistemin birincil tarafındadır ve geri besleme sinyalinin iletilmesinde herhangi bir sorun yoktur. Yük tarafı voltaj geri besleme devresi sistemin ikincil tarafındadır Geri besleme sinyalini kontrol devresine geri iletmek için sinyal gevşek bağlı transformatörden geçmelidir. Temassız güç aktarımını tamamlarken, kontrol döngüsü, sistemin tasarımına ve çalışmasına çok fazla rahatsızlık veren kapalı döngü geri besleme kontrolünü tamamlamak için ilgili bir kablosuz sinyal iletim devresi de tasarlamalıdır.
Geri besleme sinyallerinin kablosuz iletimini gerektiren geleneksel kapalı devre kontrol şemalarının eksikliklerini gidermek için, şarj sırasında şebeke tarafının harmonik bozulmasını azaltmak, güç faktörünü iyileştirmek ve pil tarafının kontrol edilebilir çıkış voltajını ve giriş voltajının, şebeke tarafının ve pil tarafının geniş uyarlanabilirliğini karşılamak için İzole açık döngü kontrolünü ele alın. Bu makale, elektrikli araç kablosuz şarj teknolojisinin mevcut kontrol stratejisini geliştirmektedir. Gönderen uç ve alıcı uç, sırasıyla, geleneksel cihazın bilgi aktarım kanalının geri bildirim sinyalinin kapalı döngü kontrolünü iptal eden kapalı döngü kontrolünü benimser ve bir açık döngü kontrol yöntemini benimser Sistem yapısı Şekil 2'de gösterilir.
1 Yeni kablosuz şarj sistemi
1.1 Sistem yapısı
Kablosuz şarj sisteminin yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. Ana devre, AC / DC doğrultucu modülü, gevşek bağlı transformatör modülü, DC / DC dönüştürme modülü ve diğer parçaları içerir. AC / DC modülü, bir Boost / tam köprü birleşik yumuşak anahtarlamalı rezonans PFC dönüştürme devresi kullanır ve DC / DC modülü bir Buck dönüştürme devresi kullanır. AC / DC modülünün ve DC / DC modülünün ilkeleri ve kontrol stratejileri aşağıda analiz edilecek ve gösterilecektir.
PWM doğrultucu devresi, bir PWM kontrol yöntemi ve bir tam kontrol cihazından oluşan bir doğrultucu devresidir.Geleneksel doğrultucu devresinin sorunlarını değişen derecelerde çözebilir. Çevirici devresindeki SPWM kontrol teknolojisi, bir PWM doğrultucu devresi oluşturmak için doğrultucu devresinde kullanılır. PWM doğrultucu devresini, giriş akımı bir sinüs dalgasına çok yakın olacak ve giriş voltajıyla aynı faza sahip olacak şekilde kontrol ederek, güç faktörü yaklaşık 1'dir, bu nedenle PWM doğrultucu devresine bir birim güç faktörü dönüştürücü de denir. Orta ve yüksek güçlü PWM redresör devreleri için, tek fazlı veya üç fazlı köprü yapıları kullanılırken, düşük güçlü redresör devreleri için, tek fazlı kontrolsüz redresörler ve tek aşamalı DC dönüşüm devreleri, şebeke tarafı güç faktörü düzeltmesini sağlamak için sıklıkla kullanılır. Bu sistemin benimsediği şey, Boost APFC'li PWM doğrultucu devresidir.
Gevşek bağlanmış transformatör, kablosuz şarj sisteminin enerji değişim kanalıdır.Bu makale temel olarak kablosuz şarj sisteminin kontrol stratejisinin araştırılmasına odaklanmaktadır.Losely coupled transformer, geleneksel yapıyı benimser. DC / DC modülü parçası, gevşek bağlanmış transformatörün ikincil tarafına bağlı bir dönüşüm devresidir. Esas olarak, gevşek bağlı transformatörden alınan akımı düzeltir ve DC / DC dönüştürür, çünkü birincil taraf, korumak için bir Boost güçlendirme devresi kullanır. Nihai çıkış voltajı stabilizasyonu ve regülasyonu için ikincil tarafta pasif ve kayıpsız Buck dönüşüm devresi kullanılır.
1.2 Kontrol stratejisi
Şekil 3'te gösterildiği gibi, AC giriş voltajı, diyot köprüsü tarafından kontrolsüz olarak doğrultulduktan ve ardından Boost DC / DC dönüşüm devresi yoluyla düzeltildikten sonra, giriş akımının ortalama değeri, karşılık gelen kontrol aracılığıyla doğrultulmuş voltaj referans değerini otomatik olarak takip edecektir ve daha yüksek bir şebeke tarafı elde edilebilir. Güç faktörü ve çıkış voltajını sabit tutun. APFC devresinin iki geri besleme kontrol döngüsü vardır: giriş akımı döngüsü, DC / DC dönüştürücünün giriş akımını tam dalga doğrultulmuş bir dalga formu yapar ve tam dalga doğrultulmuş voltaj dalga formu ile aynı faza sahiptir; çıkış voltaj döngüsü, DC / DC dönüştürücünün çıkışını doğru akım yapar Voltaj stabilizasyon kaynağı, DC güç kaynağının stabilizasyon etkisini sağlar.
Şekil 4'te gösterildiği gibi, gevşek bağlanmış transformatörün ikincil tarafında, D9 ve D10 ile düzeltildikten sonra Buck dönüşüm devresi bağlanır ve çıkış voltajı ve akımı, çift kapalı döngü kontrolü oluşturmak için geri besleme olarak kullanılır.Bu çözümde, indüktör L3 sürekli bir akım durumunda çalışır. Buck dönüştürücünün sabit durum çıkış ortalama voltajı görev döngüsü D ile orantılı olduğundan, nihai kararlı durum çıkış voltajı, güç tüpü S6'nın görev döngüsü tarafından kontrol edilebilir.
2 Modal analiz
Şekil 5'te gösterildiği gibi, kablosuz şarjın birincil tarafı bir Boost / tam köprü birleşik yumuşak anahtarlamalı PFC dönüştürme devresi kullanır. Bunların arasında, L1 enerji depolama indüktörüdür, S1, Boost dönüştürücünün ana güç anahtarı tüpüdür, L2, D5, D6, D7, D8, C1, C2, C3 ve S1, L1 birlikte pasif bir kayıpsız yumuşak anahtar oluşturur. Çalışma prensibi, MOS tüpü S1 kapatıldığında, D6 ve C2 eylemi altında, MOS tüpünün sıfır voltaj kapatmayı gerçekleştirmesidir.MOS tüpü S1 açıldığında, C1, C2 ve L2 bir rezonans ağı oluşturur ve C1'deki enerji C2'ye transfer ve L2'nin varlığından dolayı D5'in ters geri kazanımı bastırılır ve MOS tüpü sıfır akımla açılır. Şebekede dirençli kayıp unsurları bulunmadığından enerji kaybı olmaz ve verimlilik yüksektir.
Dönüştürücü çalışırken, Yükseltme aşaması yükseltme indüktörü L1 CCM modunda çalışır, S1 anahtarı kapalı bir döngü tarafından kontrol edilir ve sabit bir f1 frekansında kapatılır ve görev döngüsü, çıkış voltajı düzenlemesi ve girişi elde etmek için ortalama akım yöntemi ile kontrol edilir. PF kontrolü. S2, S3, S4 ve S5, dört tam köprü inverter koludur.S2, S5 ve S3, S4, belirli bir ölü zaman ile tamamlayıcı olarak açılır ve dönüşümlü olarak belirli bir f2 frekansı ile açılarak sabit bir görev döngüsü oluşturur. Bu iki grup güç tüpünün tahrik edilmesi yeterli ölü zamana sahiptir Bu süre boyunca, transformatörün kaçak endüktansı, açılmak üzere olan güç tüpünün her iki ucundaki rezonans kapasitörünün yükünü çıkarmak ve gücü kapatılmış anahtar tüpüne vermek için yeterli enerjiye sahip olmalıdır. Rezonant kapasitör, daha sonra güç tüpünün sıfır voltajla açılmasını sağlamak için şarj edilir ve açılma kaybını etkili bir şekilde azaltır.
Şekil 6'da gösterildiği gibi, kablosuz şarjın ikincil tarafı, pasif ve kayıpsız bir yumuşak geçişli Buck dönüştürme devresini benimser. Bunlar arasında DC, gevşek bağlanmış transformatörün çıkış tarafından doğrultulan doğru akımdır, S6 Buck dönüştürücü devresinin ana güç anahtarı tüpüdür, L3 enerji depolama indüktörüdür, C5 ve C8 stabilize kapasitörlerdir ve D11, D12, D13, D14, C6, C7 , L4 birlikte pasif kayıpsız bir devre oluşturur.
Dönüştürme devresi çalıştığında, S6 güç tüpü kapatıldığında, güç tüpü C6 ve D11 eylemi altında sıfır akım kapanmasını gerçekleştirir ve C6 şarj edilir ve C7, L4, L3 ve C8 bir rezonans devresi oluşturur. S6 güç tüpü açıldığında , C6 üzerindeki voltaj 0 olduğundan, S6 anahtarı sıfır voltaj açmayı gerçekleştirebilir. Çalışma sırasında, çıkış voltajı S1'in görev döngüsü değiştirilerek ayarlanır.
3 Simülasyon ve deneysel sonuçların analizi
3.1 Simülasyon modeli analizi
Boost / tam köprü birleşik yumuşak anahtarlamalı APFC devresinin ve pasif kayıpsız yumuşak anahtarlamalı Buck dönüşüm devresinin Simulik modellemesi ve simülasyonu sırasıyla gerçekleştirilir. Simülasyon koşulları şunlardır: giriş 220 V / 50 Hz tek fazlı alternatif akım ve son çıkış 3 kW / 400 V DC'dir. Şekil 7, Buck dönüşüm devresi simülasyonunun temel dalga biçimlerini göstermektedir: Yukarıdan aşağıya, bunlar MOS tüp akımı, MOS tüp voltajı, rezonans kondansatör C1 akımı, rezonans kondansatör C1 voltajı, rezonant kondansatör C2 akımı ve rezonant kondansatör C2 voltaj dalga biçimleridir. Simülasyon grafiğinden, rezonans devresinin etkisiyle MOS tüpünün sıfır gerilim kapatması ve sıfır akım açmasının gerçekleştirildiği görülmektedir. Nihai çıkış voltajı ve akım dalga formları Şekil 8'de gösterilmektedir.
Tampon indüktans ve kapasitansın varlığından dolayı, çıkış dalga formunun ilk aşamasında bir salınım periyodu vardır Endüktans ve kapasitans yüklendikten sonra, gerilim ve akım önce düşme ve sonra yükselme sürecine sahiptir. Şekilden, kısa bir tampondan sonra, çıkış voltajı ve akımının sabit olma eğiliminde olduğu ve çıkış gücünün de garanti edildiği görülebilir.
3.2 Deneysel doğrulama
Teorik analiz ve simülasyon sonuçlarının doğruluğunu doğrulamak için 3 kW / 400 V DC çıkışlı deneysel bir platform tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Deneysel koşullar simülasyon koşullarıyla aynıdır. Giriş terminali 220 V / 50 Hz tek fazlı güç frekansı AC güç kaynağıdır. Güç tüpü SPW47N60C3'tür. Güçlendirici dönüştürücü devresinin ana güç tüpü S1, UC3854 yongası tarafından kontrol edilir. Tam köprü invertör güç tüpü IR2113'tür. Sürüş çipi, Buck dönüştürücü devresi ana güç tüpü S6, SG3525 çipi tarafından kontrol edilir.
Şekil 9, tam köprü invertör devresinin güç tüpünün tahrik sinyalidir, sinyal frekansı 55 kHz ve ölü zaman 2 s'dir.
Nihai çıkış voltajı ve akım dalga formu Şekil 10'da gösterilmektedir. Çıkış voltajı ve akım dalga formu sabittir ve çalışma koşulu iyidir.
4. Sonuç
Bu makale esas olarak yeni bir elektrikli araç kablosuz şarj topolojisi ve kontrol stratejisi türünü incelemektedir.Bu yapı, birincil ve ikincil yan çift kapalı döngü kontrol şemasını benimser.Kablosuz iletişim modüllü geleneksel kablosuz şarj yapısı ile karşılaştırıldığında, kablosuz iletişim modülünü ortadan kaldırabilir ve azaltabilir Maliyet ve araca monteli kablosuz şarj modülünün hacmini azaltabilir. Kablosuz iletişim modülü olmadan, araç ile kablosuz şarj yığını arasındaki sinyal eşleştirme işlemi ortadan kaldırılır, şarj bağlantısı verimliliği iyileştirilebilir ve farklı üreticilerin kablosuz şarj modüllerinin uyumsuzluğundan kaynaklanan sorunların önüne geçilir. Çift kapalı döngü kontrol stratejisinin benimsenmesi, birincil ve ikincil tarafın voltaj ve akım kontrolünü daha kararlı hale getirir ve ayarlama daha hızlıdır. Simülasyon ve deneysel sonuçlar, planın uygulanabilirliğini doğrular ve elektrikli araçlar için kablosuz şarj gereksinimlerini karşılar.
Referanslar
Guo Zongzhi.Elektrikli Araçların Kablosuz Şarj Sistemlerinde Uygulanan Yapısal Optimizasyon ve Kontrol Stratejisi Araştırması Harbin: Harbin Institute of Technology, 2015.
Cao Lingling, Chen Qianhong, Ren Xiaoyong ve diğerleri.Elektrikli araçlar için yüksek verimli kablosuz şarj teknolojisinin araştırma ilerlemesi. Journal of Electrotechnical Technology, 2012 (8): 1-13.
Huang Xueliang, Tan Linlin, Chen Zhong ve diğerleri. Kablosuz güç aktarım teknolojisi araştırma ve uygulamasına genel bakış. Journal of Electrotechnical Technology, 2013 (10): 1-11.
BUDHIA M, BOYS J T, COVIC GA ve diğerleri.Elektrikli araç IPT şarj sistemleri için tek kaydırmalı manyetik akı bağlayıcının geliştirilmesi.Elektrikli Elektronik IEEE İşlemleri, 2013, 60 (1): 318-328.
MILLER J M, ONAR O C, CHINTHAVALI M. Elektrikli araç şarjı için kablosuz güç aktarımının birincil taraf güç akışı kontrolü IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electroncics, 2015, 3 (1): 147-162.
SHIN J, SHIN S, KIM Y, vd. Karayolu ile çalışan hareketli elektrikli araçlar için şekilli manyetik rezonans tabanlı kablosuz güç aktarım sisteminin tasarımı ve uygulaması. IEEE İşlemleri Endüstriyel Elektronik, 2014, 61 (3): 1179-1192 .
Ren Xiaofeng. Elektrikli araçlar için kablosuz şarj sisteminin geliştirilmesi ve performans optimizasyonu Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2014.
Li Yang, Yang Qingxin, Yan Zhuo, vb. Kablosuz gücün etkili iletim mesafesinin ve etkileyen faktörlerinin analizi, Journal of Electrotechnical Technology, 2013, 28 (1): 106-112.
Li Bin, Liu Chang, Chen Qichu, vb Elektrikli Araç Kablosuz Şarj Teknolojisi Jiangsu Elektrik Mühendisliği, 2013, 32 (1): 81-84.
