摘 要

Abstract II

第1章 结论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2电动汽车动态无线充电技术国内外研究现状 2

1.3本论文的预期目标与研究内容 4

第2章 本论文的研究方法 5

第3章 感性电源传输介绍（IPT） 6

3.3变压器型号 6

3.4 谐振电路 7

3.5谐振电路的品质因数 8

3.6谐振补偿拓扑 8

3.6.1并行拓扑 9

3.6.2系列系列拓扑结构 9

3.7 锂离子电池的充电特性 9

3.8 磁场的健康方面和规定 10

第4章 动态无线充电位置检测方法 11

4.1 DC / AC逆变器 11

4.1.1逆变器中使用的开关 13

4.1.2 栅极驱动器拓扑结构 13

4.1.3变频器损耗 13

4.2 微控制器 14

4.3 AC / DC整流器 14

4.3.1整流阶段的损失计算 16

4.3.2负载侧整流 16

4.4 电磁干扰（EMI） 16

4.5 零电压开关 17

第5章 变压器设计 19

5.1 有限元模拟 19

5.1.1变压器线圈的几何形状 19

5.1.2 COMSOL中的线圈分析 20

5.1.3计算COMSOL中的电感 20

5.1.4验证分析和模拟电感值 21

5.2线圈电阻对频率的依赖性 22

5.3线圈的分析电阻 22

5.4 场地整形和屏蔽 23

第6章 谐振电路模拟 24

6.1并行补偿 24

6.2基于COMSOL进行并行补偿的电路仿真 24

6.3串联补偿 25

6.4基于COMSOL进行串联补偿的电路仿真 25

第7章 测量和结果 28

7.1电感测量 28

7.2 标称工作点损失 29

7.3 输出功率的可控性 30

结 论 32

参考文献 32

致 谢 34

摘 要

随着近年来中国经济的高速发展，为了节约能源，减少环境污染，电动汽车受到了世界各国的大力推广。目前，由于电池容量及充电基础设施等条件的限制，充电问题成为电动汽车发展过程中而临的最主要的瓶颈问题。减少车队污染的一种方法是使其通电。电动车辆需要经常充电，带有插头的导电充电器与无线充电相比有几个缺点。本文描述了一个小型电动汽车的感应充电器的仿真和开发。

该充电器可以以87％的效率传输700-950W，以及以84％的效率传输1100-1200W。测量表明，次级线圈对损失的贡献最大。如果次级线圈的设计得到改进，效率可达90％。为了处理线圈的高漏电感，谐振电容器组与每个线圈串联放置。负载电流通过改变逆变器的占空比来调节。然而，实施自动控制需要进一步的工作。在两个线圈未对准并且间隙增加的情况下进行了测试。结果显示，100mm的错位会使总效率达到80％，这仍然是好的。

由于该系统表现出良好的性能，该技术应该可用于充电车辆，但也可应用于其他领域。

关键词：感应电能传输（IPT）；无线充电；共振；电动汽车；感应充电。

Abstract

One way to reduce pollution from the vehicle fleet is to electrify it. Electric vehicles need to be charged quite often and a conductive charger with a plug has several disadvantages compared to wireless charging. This thesis describes the simulation and development of an inductive charger to a small electric vehicle. The charger can transfer 700-950 W at an efficiency of 87 %, and 1100-1200 W at an efficiency of 84 %. Measurements shows that the most significant contribution to losses occur in the secondary coil. An efficiency of 90 % is possible if the design of the secondary coil is improved. To deal with the high leakage inductance of the coils, resonant capacitor banks are placed in series with each coil. The load current is regulated by changing the duty cycle of the inverter. Further work is however needed for implementation of automatic control. Tests has been performed where the two coils are misaligned and when the gap has been increased. Results shows that a misalignment of 100 mm will give a total efficiency of 80 % which is still good. As the system has shown good performance the technology should be viable for charging vehicles but could also be applied in other areas.

Key words: Inductive power transfer (IPT)； Wireless charging, Resonance；Electric vehicle； Inductive charging.

第1章 结论

1.1研究背景与意义

自发现电力治理以来，电力的使用稳步增加。这种增长刺激了技术的发展。在19世纪发现了电流诱发磁场的发现，并且围绕这一发现的理论被开发出来（麦克斯韦方程组）[1]。该领域的一位先驱是尼古拉特斯拉，他尝试了火花激励射频谐振变压器，并通过这种变压器在小气隙中传输功率。通过这些实验，他设法通过空气传递足够的能量来照亮白炽灯泡[2]。

多年来，感应式电力传输（IPT）已被用于充电电动牙刷和电磁炉等应用中。 IPT的进步包括感应式移动电话和摄像机充电，感应加热和电磁电路推进列车。随着更多便携式电子设备的开发，充电需求也随之增加。很多公司已经开发出自己的收费解决方案，但趋势是倾向于在所有市场上收费的标准化。使用电动汽车是减少今天大约80％的不可再生能源的世界消费量的一种方法[3]。电动车辆通常具有带有连接到电网的插头的车载充电器。这种解决方案有几个缺点，例如破坏风险，暴露在天气中，固定充电以及每次需要充电时插入充电器的不适感[4]。

感应充电具有许多有前途的特性，如易于使用，电动车辆无电缆充电以及在停止或移动过程中在道路上充电。 这是许多应用中充电和电力传输的有前途的解决方案，因为它可以轻松实现自动化和标准化。

表1.1所研究的用于感应充电的车辆的数据。

在这个项目中使用感应电能传输将包括小型和轻型电动车辆感应充电器的开发和原型设计。 该车辆有一个小型电池，需要比全尺寸电动车更频繁地充电。 由于较小的车辆将使用较小的设计，所以IPT在较小的车辆上进行测试以对该技术有基本的了解。

小型电动车有三个车轮，并在瑞典登记为欧盟轻便摩托车。 表1.1列出了现有车辆系统的数据。

1.2电动汽车动态无线充电技术国内外研究现状

中国高校、对无线电能传输技术及应用的研究也有很大发展工作，就在10月2011年，中国科协资助在天津工业大学举办了“无线电能传输关键技术问题与应用前景”学术沙龙，这是中国在“无线电能传输领域”的第一次学术会议，2012年在重庆举也办了“无线电能传输技术研讨会”、2013 年在贵阳举也办了“无线电能传输关键技术与应用学术研讨会”、然后2014年在南京举办了“无线电能传输技术与应用国际学术会议”、2015 年在武汉也举办了一个会议“无线电能传输技术及应用学术会议”，展示了中国国内无线电能传输技术非常棒的发展态势和前景。中国国内早开展与动态无线电能传输技术相关于研究的高校主要包括的“东南大学、天津工业大学、重庆大学、中科院电工所、西南交通大学、哈尔滨工业大学等。这些高校前期研究主要集中在大功率电力电子电能变换与拓扑设计、磁耦合机构优化设计、系统建模优化与控制、系统复杂动力学行为分析与控制、能量和信息同步传输、负载识别与异物检测、电磁兼容与电磁屏蔽等技术方面，相关理论、技术难点以及关键问题的研究已经取得一定成果，并且已经研制出原理样机。

而东南大学对动态无线能量传输的原副边线圈尺寸对传输效率以及侧移的影响进行深入的研究，并提出基于频率控制的方法达到系统能量传输效率最优［10］。天津工业大学基于耦合模理论基础，分析了运动状态下的高速列车无线供电系统发射线圈与接收线圈固有谐振频率的变化对系统传输效率的影响，提出了一种可调节发射端功率因数的频率跟踪控制技术［12］，并于2013年提出将动态无线能量传输技术应用于高速铁路列车充电的设想，建立了高铁充电沙盘模型，受到广泛关注。重庆大学提出了参数识别理论，以改善原边控制时副边参数难以调整的问题，在此基础上建 立了系统的能量流动模型［13］。文献［14］提出了一种基于能量传输通道的非法负载检测方法，通过对负载以给定的频率进行通断调制和原边解调判断其负载的合法性。此外文献［15］提出了针对分段式供电导轨系统的非线性规划数学模型，对分段导轨长度及导轨快速切换等问题进行分析，得到较优的规划与控制结果。中科院 电工所通过电路和有限元仿真分析了电动汽车无线充电系统在车体内及充电装置周围产生的电磁场， 提出在发射装置外沿加装水平屏蔽带的磁屏蔽方法［16］。西南交通大学提出了一种基于多逆变器并联的无线电能传输系统，利用改变逆变器输出电压脉宽与移相角控制方法对逆变器进行控制，有效地消除初级线圈电流的３次谐波［17］。

虽然世界各国研究机构仍在不断深入研究电动汽车动态无线供电技术，并且不断推进相关理论和技术研究的发展，但是其中依旧存在一定的关键技术需要研究，其中包括磁耦合机构设计与优化、系统鲁棒控制技术、电磁兼容技术研究，以便最大限度提升系统工作性能，保证系统的安全、可靠、稳定、高效运行。

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