摘 要

电动汽车是以车载蓄电池提供的电能作为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的环保汽车。电动汽车的问世极大地减少了对石油等不可再生能源的使用，并对环境的改善做出了极大的贡献。电动汽车的充电方式有两种：有线充电和无线充电。无线充电方式因其无需以电线连接、空间占用小、不易被水和氧气侵蚀、没有机械磨损及跳火等损耗逐渐进入人们的视野，今后必将取代有线充电方式成为电动汽车充电方式的主要发展方向。

本文首先介绍了电磁感应式无线电能传输的基本原理，并对RLC网络的谐振做了简单的分析，然后提出了无线充电系统的一种双面LCC补偿网络及其调整方法。根据该网络的拓扑结构和它的调整方法，两线圈间的谐振频率与耦合系数是不相关的，并且与负载条件相互独立。这意味着该系统可以工作在一个恒定的开关频率，在频域中给出的分析也表明了该方法的这一特点。对于一次侧开关，本文也提出了一个调整网络的方法来开关（ZVS）。为了解决的控制问题，在一个DC/DC控制电路来稳定输出电压。最后，本文使用MATLAB软件建立了一个无线充电系统模型，通过对输出电压的观测，验证了本文提出的补偿网络和调整方法的有效性。

关键词：电动汽车；无线充电系统；LCC补偿网络；零电压开关（ZVS）

Abstract

Electric vehicle (EV) is a type of green car that is powered by the car battery, and use electric motor to drive wheel, and is in accordance with the requirements of road traffic safety regulations. The advent of electric vehicles greatly reduced the use of non-renewable energy, such as oil, and made a great contribution to the improvement of the environment. There are two ways of charging electric vehicles: wired charging and wireless power transfer (WPT). Wireless power transfer method gradually entering people's field of vision because of the need not to connect wires, occupy space small, not easy to be eroded by water and oxygen , no mechanical wear and jump fire loss, and in the future it will become the main direction of development of electric vehicle charging mode instead of wired charging.

This paper firstly introduces the basic principle of the electromagnetic induction wireless power transfer, and makes a simple analysis of the resonance of the RLC network, then proposes a double-sided LCC compensation network and its tuning method for wireless power transfer. With the proposed topology and its tuning method, the resonant frequency is irrelevant with the coupling coefficient between the two coils, and is also independent of the load condition. It means that the system can work at a constant switching frequency. Analysis in frequency domain is given to show the characteristics of the proposed method. We also propose a method to tune the network to realize zero voltage switching (ZVS) for the primary side switches. In order to solve the output voltage control problem, a DC/DC control circuit is added before load to stabilize the output voltage. Finally, a WPT model is built by using MATLAB software. Validity of the proposed compensation network and the tuning method is verified by the observation of the output voltage.

Key words: electric vehicle; wireless power transfer; LCC compensation network; zero voltage switching (ZVS)

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 电动汽车无线充电研究背景 1

1.2 电动汽车无线充电国内外研究现状 2

1.3 课题的基本内容 2

第2章 电磁感应式无线电能传输 5

2.1 基本原理介绍 5

2.2 RLC网络的谐振 5

2.2.1 串联谐振 6

2.2.2 并联谐振 7

2.3 本章小结 8

第3章 LCC补偿网络拓扑结构及分析 10

3.1 双面LCC补偿网络拓扑结构 10

3.2 双面LCC补偿网络分析 12

3.3 本章小结 15

第4章 零电压开关的参数整定 16

4.1 零电压开关状态分析 16

4.2 ZVS关断电流准确性分析 17

4.3 本章小结 20

第5章 参数设计 22

5.1 基本参数计算 22

5.2 实现ZVS的参数计算 23

5.3 本章小结 24

第6章 无线充电系统模型的仿真与分析 25

6.1 无线充电系统的MATLAB仿真 25

6.2 无线充电系统变负载仿真测试 26

6.3 本章小结 28

第7章 总结与展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 电动汽车无线充电研究背景

雾霾是我们很熟悉的一个词语，我国大部分地区都曾持续被雾霾笼罩。雾霾对人的身体健康危害极大，会对呼吸系统、心血管系统造成影响，并且更易致癌。同时雾霾天气能见度低，易引起交通事故。而形成雾霾的最重要的源头就是汽车尾气。如何降低汽车尾气中的有害物质，减少形成雾霾的可能性，已经成为人们广泛关注的问题。电动汽车的出现为这一问题的解决带来了可能。

电动汽车是以车载蓄电池提供的电能作为动力，用电机驱动车轮行驶，因其并不使用汽油等常规燃料，所以在行驶时并不会产生汽车尾气。电动汽车的问世极大地减少了对石油等不可再生能源的使用，并对环境的改善，尤其是雾霾的治理做出了极大的贡献。电动汽车所需的能量是由车载蓄电池提供的，就像普通汽车给油箱加油一样，电动汽车需要经常性地给蓄电池充电。现在电动汽车一般使用的充电方式为有线充电，即将电动汽车与充电桩通过电线相连接，充电桩通过电线向蓄电池充电。有线充电方式效率高，但是也存在着一些缺点：第一，虽然效率高，但是充电时间相较于普通汽车的加油时间依然较长，这使得人们对电动汽车敬而远之；第二，因为电线是裸露在空气中的，如果绝缘措施没做好，很容易发生安全事故；第三，充电时会将电线接入电动汽车中，容易接触不良、产生电火花，带来一些未知的安全隐患。有线充电方式因其自身的一些缺点阻碍了电动汽车行业的发展。

无线电能传输(WPT，Wireless Power Transfer)也称为非接触式电能传输，以电磁场或电磁波为媒介进行能量之间的传递，没有直接的物理连接，完全实现充电过程的自动化控制，充电时并不需要用户手动操作。无线电能传输原理：收发线圈的疏松耦合非接触式实现了电能的无电气连接传输。它将充电系统的收发线圈紧密型耦合磁路分开，一次侧、二次侧线圈分别绕在具有不同磁性的结构上，实现在电源和蓄电池单元之间进行能量传递。WPT在电动汽车上的应用，是通过埋在地面以下的一次侧线圈与固定于车辆底盘的二次侧线圈的磁耦合来传输电能，对车载蓄电池进行充电。这种无线充电方式与现在使用的有线充电方式相比，有许多优点：（1）可在车辆行驶中对蓄电池进行充电，这样可以减小蓄电池的空间占用率，并极大地提高了充电效率，使用户不用一直等待；（2）充电系统无需以电线相连接，因此没有机械磨损及跳火等损耗；（3）各器件并不会裸露在空气中，因此不易被水和氧气侵蚀，不会接触不良。