基于电磁感应式的电动车无线充电系统效率与体积的设计优化研究

摘要

随着经济的发展，环境问题变得十分严峻。城市空气污染的罪魁祸首被认为是汽车排放的尾气。以电能为动力的电动车凭借其成熟的技术成为了传统汽车最佳的替代品。尽管国家大力推广且推出了十分优惠的购车政策，但是电动车销量仍不乐观。其原因主要是电动车的续航里程和充电时间与传统汽车的续航里程与加油时间相比不占优势。无线充电被认为是解决电动车续航里程和充电缺陷的最佳方法。但是目前的技术存在两个很大的缺陷，其一是电动车无线充电系统的传输效率不高，而其二是电动车无线充电系统的体积过大。在电动车无线充电系统中损耗最大的部分是松耦合变压器，体积最大的也是松耦合变压器。因此电动车无线充电系统的核心是松耦合变压器，如何设计松耦合变压器是本课题的重点。
　　松耦合变压器的工作原理类似于变压器，但是目前并没有被大家所认可的针对松耦合变压器的设计方法。本课题的重点就是提出了松耦合变压器的设计与优化方法，可以使得其拥有较高的效率以及较小的体积。本课题首先对比了三种目前流行的无线电能传输技术，确立了电磁感应式无线充电技术为电动车无线充电的最佳选择。又讨论了无线充电系统中的谐振补偿网络，认为对松耦合变压器的原边和副边均利用串联补偿的方式最为合适。在基于SAE提出的最新的电动车无线充电标准J2954的基础上，我们通过调研和初步分析，确立了松耦合变压器的设计目标。然后对松耦合变压器进行物理分析，通过解析算法限定出松耦合变压器的设计区域。之后对松耦合变压器进行全面的分析，确立了松耦合变压器的优化目标函数以及约束变量。最后利用优化算法NSGA-Ⅱ结合有限元仿真以及函数拟合的方法，对松耦合变压器进行优化设计。采用所提出的设计优化方法，制作出了可以在150mm的距离下以97.3％的效率传递电能的松耦合变压器，并且其原副边的绕组盘外直径仅有300mm。

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第一章 绪论

1.1电动车无线充电的意义和背景

1.2无线电能传输技术调研

1.3电动汽车松耦合变压器磁设计现状

1.4电动车无线充电系统谐振补偿拓扑的研究现状

1.5课题研究的主要内容

第二章 松耦合变压器补偿拓扑选择以及电感计算

2.1电动车无线充电系统

2.2 SS谐振补偿网络的效率计算

2.3互感阻抗与原边电流的关系

2.4平面螺旋绕组线圈的等效串联电阻计算

2.5松耦合变压器的磁设计理论基础

2.6平面螺旋绕组线圈的互感计算

2.7本章小结

第三章 松耦合变压器的设计与优化

3.1松耦合变压器的设计目标

3.2松耦合变压器的体积

3.3松耦合变压器的优化目标

3.4基于NSGA-Ⅱ对松耦合变压器进行优化

3.5谐振网络的选择对LCT设计的影响

3.6总结WPTS中LCT设计总过程

第四章 实验平台搭建以及无线充电系统性能测试

4.1 ANSYS磁路仿真结果以及Pspice电路仿真结果

4.2高频逆变器

4.3整流器

4.4松耦合变压器

4.5软件平台

4.6 WPTS系统实际运行性能测试

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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