中频磁共振式电动汽车无线充电系统设计与效率优化

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1、——————————————————————————————————中频磁共振式电动汽车无线充电系统设计与效率优化——————————————————————————————————DesignandOptimizationofMid-frequencyWirelessChargingSystemforElectricVehiclewithMagneticResonance作者姓名：张建专业名称：动力工程及工程热物理指导教师：袁新枚副教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月4日摘要中频磁共振

2、式电动汽车无线充电系统设计与效率优化充电难题一直制约着电动汽车的发展，电动汽车无线充电以其充电安全便捷、节约空间等优点，成为了目前电动汽车的充电研究的一个热点。本文针对目前主流的共振式无线充电结构进行了详细的理论分析和仿真研究，在此基础上提出不同线圈结构对充电特性的影响模型及首次提出了三线圈结构无线充电结构，并通过小功率实验平台进行了实验验证。本文的研究对于新结构电动汽车无线充电系统的设计提供了理论上的支撑。首先，本文利用等效电路法，详细的分析了不同线圈结构对无线充电特性的影响。在获取主流的两线圈

3、结构及四线圈结构等效电路及进行深入分析的基础上，提出了三线圈结构，并同样进行了电路分析及相应的功率、效率等特征参数的推导。通过比较分析，相比两线圈和四线圈结构三线圈结构的系统效率具有更强的负载鲁棒性和相对较低的环境电磁辐射特性。为了验证以上结论，本文搭建了相应的小功率软硬件实验平台。考虑的电力电子技术发展的持续性，本文选用了略高于目前电动汽车无线充电频率范围的中频段(300kHz-3MHz)。逆变器采用D类全桥，由全桥驱动芯片和高速MOSFET组成，开关频率高达1MHz。线圈为由高频Litz线绕制

4、的盘状线圈。谐振电容选择高频低ESR的薄膜电容。采用低导通压降二极管设计桥式整流器，设计了具备高精度PWM信号输出的TIDSPF28035控制器。用Labview搭建的上位机可以调节逆变器开关频率以及实时显示逆变器直流母线电流。利用所搭建的小功率实验平台，在分别针对不同结构无线充电系统的效率、功率及线圈错位情况下的传输特性进行了理论分析研究的基础上。本文选取两线圈和三线圈结构进行对比实验。分别改变负载、源线圈距离及线圈错位距离等参数，测量无线充电系统的传输功率、效率等特征变量。实验结果表明，本论文

5、所搭建的系统，在线圈距离50mm（0.7倍线圈直径）处可以达到最大功率I50W最大效率80%的无线能量传输。考虑到电力电子器件损耗的比例，可以预计在实际大功率情况下，该效率还有望大幅度提升。同时，本文提出的三线圈结构的负载鲁棒性明显优于传统的两线圈结构，可以在较大的负载变化范围内保持较高的传输效率，且在线圈错位的情况下，可以有效的抑制周围环境中的电磁辐射强度。关键词：电动汽车无线充电,三线圈结构，高效率，线圈错位IIABSTRACTDesignandOptimizationofMid-freque

6、ncyWirelessChargingSystemforElectricVehiclewithMagneticResonanceChargingproblemhasannegativeimpactonthedevelopmentofElectricVehicle.WirelesschargingforElectricVehiclehasbecomeahotresearchissueforitsconvenience,safetyandspacesavingetc.Thispapertheoreti

7、callyanalyzesandsimulatesthemainstreamwirelesschargingsystemwithmagneticresonanceindetails.Differentcoilstructuremodelsareproposed,especiallythree-coilstructureisfirstpresentedandvalidatedbyexperimentsinthispaper.Thispaperhastheintentofprovidingadesig

8、nandanalysismethodologyfortheinnovativethree-coilstructuresystems.Firstly,withequivalentcircuitmodel,thispaperanalyzesthechargingcharacteristicsofdifferentcoilstructures.Characteristicparameterssuchaspowerandefficiencyarededuced.Enlightenedbyt