电动汽车无线充电系统效率特性研究

摘要

电动汽车的大规模普及有助于缓解目前我国面临的空气污染和能源不足的问题。充电桩的不足却大大地阻碍了电动汽车的普及进度。相较于传统的有线充电装置，电动汽车无线充电系统具有占地少、安全度高、智能化水平高等优势，可以加快电动汽车的推广进程。但电动汽车无线充电系统依然面临着额定功率较小，系统效率较低的问题，对电动汽车无线充电系统传输特性的研究具有重要的现实意义。
　　本文通过对谐振式电动汽车无线充电系统的原理研究，找到影响系统传输功率特性和效率特性的相关参数。通过对各个参数与系统功率和系统效率的关系曲线的分析研究，找到影响传输性能最重要的两个因素:磁耦合结构和系统控制策略。
　　借助ANSYS电磁仿真软件对不同线圈形状、不同线圈尺寸、有无磁芯等结构的磁耦合机构进行建模，并绘制出在磁耦合机构发生水平偏移时耦合系数的改变情况。筛选出性能较好的磁耦合结构，为实验平台的搭建提供指导。
　　分别对调压式控制策略、调频式控制策略、调占空比式控制策略的无线充电系统建立Simulink仿真模型，得到不同控制策略下系统的传输特性曲线。重点对采用调频策略时，高耦合系数下和低等效负载阻值下出现的功率传输曲线和效率传输曲线的频率分裂现象加以研究。
　　在实验平台的搭建过程中，本文详细论述了直流斩波环节、全桥逆变环节、磁耦合机构、高频整流环节、功率开关管驱动电路的设计过程，并针对电感磁芯材料、二极管型号、功率开关管型号、线圈导线的选择做了分析和说明。选用STM32f407芯片开发系统的控制电路，并通过无线通信系统连接本装置的控制系统与车载电池管理系统(BMS)。
　　在实验环节，本文搭建的样机在20cm垂直间隔下，最大传输功率达到了6kW，最大传输效率达到90％左右。并通过实验对前文有关磁耦合结构和控制策略部分的仿真结论进行了验证，对比三种控制策略下的系统传输性能并提出需要进一步提高和完善的方法。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 电动汽车无线充电技术的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究内容

1．4 本章小结

2．1 引言

2．2 谐振式无线电能传输的分类

2．3 无线电能传输的原理分析

2．4 影响电动汽车无线充电系统效率和功率的参数分析

2．4．1 系统效率和功率与发射端和接收端电感的关系

2．4．2 系统效率和功率与等效负载的关系

2．4．3 系统效率和功率与发射端和接收端电阻的关系

2．4．4 系统效率和功率与耦合系数的关系

2．4．5 系统效率与系统频率的关系

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 线圈形状对系统耦合系数的影响

3．3 收发线圈的相对大小对系统耦合系数的影响

3．4 线圈有无磁芯对系统耦合系数的影响

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 调压控制策略

4．2．1 调压控制策略的系统拓扑结构

4．2．2 调压控制策略的电路仿真

4．3 调频控制策略

4．3．1 调频控制策略的系统拓扑结构

4．3．2 调频控制策略的电路仿真

4．4 调占空比控制策略

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 实验平台的搭建

5．2．1 发射端部分的搭建

5．2．2 磁耦合结构部分的搭建

5．2．3 接收端部分的搭建

5．3 磁耦合结构实验

5．4 控制策略实验

5．4．1 调压式控制实验

5．4．2 调频式控制实验

5．4．3 调占空比式控制实验

5．5 本章小结

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文