磁耦合谐振式无线电能传输系统线圈偏移问题研究

摘要

磁耦合谐振电能传输(MCR)以无线的形式通过空间磁场由发射线圈向接收线圈传输电能，MCR传输方式在充电过程中难以避免会出现线圈偏移问题。以电动汽车为例，首先不同的电动汽车(Electric Vehicles，EV)底座离地的高度不同，其次驾驶员也不能将装有接收线圈的汽车停靠至理想的位置，前者将造成发射和接收线圈的轴向偏移，而后者将产生两个线圈间的径向偏移。MCR系统包含高频逆变和整流电路等非线性环节，这使得线圈在偏移状态下系统参数求解更为复杂。接收线圈位置的随机性变化极易造成系统性能和稳定性的下降，本文分析接收线圈在偏移状态中系统传输参数的变化规律，对于改善其偏移状态下的系统传输特性，提高传输效率，具有重要的工程意义。
　　本文将线圈之间能量传输模式根据接收线圈尺寸分为三类:大传小(TL-RS)、相同线圈(T=R)、小传大(TS-RL)，并主要研究这三种传输模式下接收线圈在偏移状态中的系统传输特性。
　　首先，本文对比分析选择原边和副边均为串联结构的MCR系统，从电路角度推导原边的电流、副边的电流、输出功率等参数与互感参数的关系，利用Matlab软件分析互感的变化对系统传输参数的影响。
　　接着，对线圈形状、倾斜角度对互感的影响进行分析，确定本文的主要研究内容为圆形-圆形线圈的轴向偏移和径向偏移。分析三种传输模式下接收线圈在轴向偏移和纵向偏移中对线圈互感的变化规律，进而分析互感的变化对系统传输特性参数的影响。
　　然后，实验部分针对TS-RL和T=R两种传输模式在轴向偏移和径向偏移下的互感及系统功效参数规律进行验证。设计出可偏移的线圈骨架结构，手工绕制不同尺寸的线圈，对这两种传输模式偏移状态下的互感进行测试。搭设线圈外围的硬件电路，处理两种传输模式下接收线圈在不同位置处的电压电流数据，对偏移状态下系统传输的功率和效率进行分析验证。针对偏移状态下系统传输效率降低问题，提出了提高线圈偏移状态下MCR系统传输效率的方法。
　　最后，本文研究T=R和TS-RL两种传输模式在偏移状态下的电磁辐射问题。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 无线电能传输方式

1．3 国内外研究现状

1．3．1 MCR技术研究现状

1．3．2 MCR系统线圈偏移问题研究现状

1．4 论文的研究目的和意义

1．5 论文的组织结构和主要研究内容

2 MCR系统的传输机理

2．1 MCR系统的基本结构

2．1．1 系统电能传输过程

2．1．2 系统主要设计结构

2．2 MCR系统建模

2．2．1 基本谐振补偿方式及其特性分析

2．2．2 MCR系统建模方式

2．2．3 MCR互感电路模型

2．2．4 系统负载的功效特性

2．3 互感的变化对MCR系统的影响

2．4 场路结合模型

2．5 本章小结

3 MCR系统线圈偏移问题研究

3．1 MCR系统不同形状的线圈互感计算

3．1．1 圆形一圆形线圈的互感计算

3．1．2 方形一方形线圈的互感计算

3．1．3 方形一圆形线圈的互感计算

3．1．4 圆形一圆形线圈不平行情况下互感计算

3．2 MCR系统线圈选型及参数计算

3．2．1 平面螺旋线圈和空间螺旋线圈

3．2．2 平面螺旋线圈参数分析

3．3 线圈偏移对互感的影响

3．3．1 不同尺寸的圆形线圈自感分析

3．3．2 三种传输模式下线圈互感的变化规律

3．4 线圈偏移对MCR系统影响分析

3．4．1 线圈偏移对原边等效电阻和电流的影响

3．4．2 线圈偏移对电源端输入功率的影响

3．4．3 线圈偏移对MCR系统传输功率和效率的影响

3．5 小结

4 实验研究

4．1 实验平台的搭建

4．1．1 线圈骨架设计

4．1．2 线圈导线的选择

4．1．3 谐振电容的选择

4．2 线圈互感实验

4．2．1 互感测试原理

4．2．2 互感实验分析

4．3 线圈偏移实验

4．3．1 径向偏移对负载功率和效率的影响

4．3．2 轴向偏移对功率和效率的影响

4．4 线圈偏移状态下MCR系统传输效率的提升

4．5 小结

5 线圈偏移充电工况下MCR系统的电磁环境

5．1 MCR系统在偏移状态下的电磁仿真

5．1．1 比吸收率

5．1．2 仿真模型的建立

5．1．3 电磁场计算

5．1．4 仿真结果分析

5．2 小结

6．1 全文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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