电动汽车MC-WPT系统耦合机构抗偏移特性研究及参数设计

摘要

近年来，无线电能传输(Wireless Power Transfer-WPT)技术成为国内外研究热点，并逐渐在军事、医疗、智能家居和汽车等行业得到推广和应用。其中磁场耦合无线电能传输(Magnetic Coupled Wireless Power Transfer，MC-WPT)技术具有传输距离远，效率高，对周围环境辐射小等特点，其为电动汽车提供了一种新的充电方式。　　在电动汽车MC-WPT系统实际应用中，当汽车停驻到充电位置时，由于驾驶员人为操作具有不确定性，因此存在车辆底盘内的拾取端和地面电能发射端发生偏移的情况，这会降低系统的输出功率和效率，延长充电时间并且增加损耗，情况严重时甚至会使系统无法正常工作。故需要提升耦合机构的抗偏移能力，保证系统在原副边发生偏移时仍具有稳定的传输性能。　　针对上述问题，本文旨在对MC-WPT系统的磁耦合机构进行设计，提升耦合机构抗偏移性能和效率。为减小系统发生偏移时拾取端负载变化对原边的影响，本文选用SS型补偿网络，并对系统进行建模，分析互感、耦合系数、品质因数对系统功率和效率的影响。对常用耦合线圈结构进行比较，由此确定圆-圆形线圈结构，并探究线圈半径与互感及耦合系数之间的关系。为提升抗偏移性能，提出多发射线圈结构，并基于上述规律以提升耦合机构效率为目标给出线圈参数设计方法。为减小耦合机构用线量，并提高发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，选用凹凸型和 L 型混和磁芯结构，基于磁芯尺寸对耦合系数和抗偏移能力的影响规律，以减小系统重量和成本，提升耦合系数为目标，给出磁芯尺寸设计方法。　　最后以实际项目中3.3KW电动汽车无线充电系统为例，根据线圈和磁芯设计方法得到线圈及磁芯参数，基于 COMSOL仿真平台建立多发射线圈耦合机构仿真模型，对系统传输和抗偏移性能进行验证，并与传统耦合机构进行对比分析。随后绕制多发射线圈耦合机构实物，测试两种耦合机构的传输性能。实验结果表明，本文提出的多发射线圈耦合机构在线圈外径相同且磁芯体积减小48%的情况下，系统抗偏移距离提升了50mm，且在偏移210mm时，耦合机构效率提升了25.36%。

目录

1 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电动汽车磁耦合无线电能传输技术现状

1.2.2 电动汽车MC-WPT系统耦合机构研究的现状

1.3 论文研究目的及意义

1.4 论文主要研究内容

1.5 本章小结

2 基于SS补偿拓扑的电动汽车MC-WPT系统

2.1 电动汽车MC-WPT系统基本组成及原理

2.2 系统谐振补偿电路

2.3 系统能效特性

2.4 本章小结

3 抗偏移耦合机构线圈及参数设计方法

3.1 传统耦合线圈结构及其耦合性能分析

3.1.1 线圈结构抗偏移特性分析

3.1.2 线圈内外径对耦合特性影响分析

3.2 多发射线圈结构及参数设计

3.2.1 多发射线圈结构及工作原理分析

3.2.2多发射线圈切换方法

3.2.3线圈参数设计

3.3 本章小结

4 带磁芯耦合机构参数设计

4.1 磁芯结构对互感、耦合系数的影响分析

4.2 磁芯分布对互感、耦合系数的影响分析

4.3 磁芯尺寸与互感、耦合系数规律分析

4.4 带磁芯与无磁芯耦合机构对比分析

4.5 本章小结

5 系统仿真及实验验证

5.1 多发射线圈耦合机构建模及仿真

5.2 耦合机构抗偏移性能对比分析

5.3 输出功率与效率分析

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文工作总结

6.2 后续研究工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目

B. 学位论文数据集

致谢