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电动汽车无线充电系统线圈参数的仿真与设计

磁耦合谐振式无线能量传输技术能实现中等距离的大功率高效率的能量传输,更加适用于电动汽车的无线充电。线圈作为该技术的核心部件,合理的线圈参数设计能够有效地提高系统的输出功率和传输效率。为此,首先介绍了该技术的工作原理并基于等效电路理论建模。其次描述了该技术在电动汽车无线充电中的应用。再次利用MATLAB仿真分析了线圈参数对系统传输性能的影响,得出结论:存在最佳匝数和平均半径使系统的输出功率和传输效率达到最大。随后对适用于电动汽车无线充电的线圈参数进行设计,设计的系统在传输距离为0.3 m时,输出功率为1.60 kW,传输效率可达到96%。最后通过Pspice仿真证明了参数设计的可行性。
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电动汽车无线充电系统线圈参数的仿真与设计电动汽车无线充电系统线圈参数的仿真与设计
磁耦合谐振式无线能量传输技术能实现中等距离的大功率高效率的能量传输,更加适用于电动汽车的无线充
电。线圈作为该技术的核心部件,合理的线圈参数设计能够有效地提高系统的输出功率和传输效率。为此,首
先介绍了该技术的工作原理并基于等效电路理论建模。其次描述了该技术在电动汽车无线充电中的应用。再次
利用MATLAB仿真分析了线圈参数对系统传输性能的影响,得出结论:存在最佳匝数和平均半径使系统的输出
功率和传输效率达到最大。随后对适用于电动汽车无线充电的线圈参数进行设计,设计的系统在传输距离为0.3
m时,输出功率为1.60 kW,传输效率可达到96%。最后通过Pspice仿真证明了参数设计的可行性。
0 引言引言
2009年我国汽车销量达到1 364万辆,同比增长46%,首次超过美国,成世界第一大新车市场。汽车工业的飞速发展,在方
便人类生活的同时,也会给环境和能源带来巨大的压力。电动汽车(Electric Vehicle,EV)可以很好地解决机动车污染排放和能
源短缺问题,是我国战略型新兴产业。早在“十五”期间,我国启动了“863”计划电动汽车重大专项,建立了“三纵三横”的开发布
局。2010年6月,国家四部出台了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》,在5个试点城市对私人购买新能源汽车
进行不同程度的补贴。我国政府的积极态度表明电动汽车是未来社会发展的方向。
目前充电方式分为两大类:有线充电和无线充电(Wireless Power Transmission,WPT)。与传统的有线充电相比,WPT技
术可以省却繁琐的充电作业,提高充电系统的安全性和可靠性,同时还可适应多种恶劣环境和天气
[1]
。适用于EV的WPT技术
主要有电磁感应式和磁耦合谐振式。电磁感应式WPT技术虽然可实现大功率能量传输,但传输距离过短,同时汽车停车位置
出现的微量横向偏移也会很大程度上降低系统的传输效率
[2]
。磁耦合谐振式无线能量传输(Magnetically-Coupled Resonant
Wire-less Power Transmission,MCR-WPT)技术与电磁感应式相比传输距离远,传输效率高,且对横向偏移的适应性更强,
更加适合应用于电动汽车
[3]
。日本东京大学设计了基于MCR-WPT技术的EV无线充电装置,传输功率为1 kW,距离为30
cm,效率约为88%
[4]
。由于该技术研究尚不成熟,在实际应用中还存在很大的困难。其中一个关键因素是线圈参数的设计。
线圈作为该技术的核心部件,其参数的大小对系统的输出功率、传输效率及传输距离具有至关重要的影响。合理的线圈参数设
计,能够充分发挥该技术的优势,实现系统大功率、高效率的传输,因此对线圈参数的优化设计具有重要意义。
本文对基于磁耦合谐振式的电动汽车无线充电技术进行介绍和研究。首先介绍了MCR-WPT技术的工作原理,用等效电路理
论对系统进行建模分析。其次介绍了基于MCR-WPT技术的EV无线充电装置,并仿真分析了线圈参数对系统传输性能的影响
规律,在此基础上描述了线圈参数的设计过程。为EV无线充电系统线圈参数的设计提供了依据。
1 MCR-WPT技术原理与基本理论技术原理与基本理论
1.1 MCR-WPT技术原理技术原理
MCR-WPT系统的基本结构为图1。磁耦合谐振式WPT系统主要由高频电源、阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈和负载驱
动电路等组成。该技术主要是利用近场区的非辐射理论,使能量在具有相同谐振频率的物体之间周期性地来回传递,而不同共
振频率的物体基本不受影响,因此可实现高效的能量传输。磁耦合谐振式WPT的具体工作原理是:高频电源向发射天线输出
高频交变电流,经过阻抗匹配网络将能量传递给发射线圈。发射线圈在高频交变电流的作用下发生谐振,产生高频电磁场。当
合理设置收发线圈的参数时,接收线圈也发生共振,产生同频共振的电磁场,形成能量接收通道,继而接收能量,接收到的电
能经过负载驱动电路处理后便可以给负载供电,从而实现无线输电
[5]
。
1.2 MCR-WPT系统等效电路理论系统等效电路理论
忽略电源内阻、趋肤效应和毗邻效应的影响,得到简化的两线圈等效电路模型如图2所示。


















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