关键词：电动汽车;;无线电能传输;;谐振式;;仿真优化;;线圈;;导磁体;;水平错位
摘 要：近年来,由于全球环境污染的加剧以及化石能源的减少,电动汽车以其低碳无污染的优点迅速引起了世界各国的重视。但是传统的有线充电方式在便捷性、安全性等方面存在的诸多弊端限制了电动汽车的发展。相比于有线充电方式,无线充电以灵活性高、安全可靠、适应性强等优点得到了广泛应用。目前电动汽车无线充电主要有感应式和谐振式两种形式。感应式无线充电适用于传输距离较近的场合,气隙一旦增大,系统传输效率急剧降低。而谐振式无线充电因具有传输效率高、传输距离远、传输功率大且以磁场为媒介对人和周围环境影响较小等优点,在电动汽车等大功率用电领域得到了广泛应用。因此,本文主要对电动汽车谐振式无线电能传输技术进行优化研究。本文首先利用等效电路理论对两线圈串串结构进行理论分析,分别绘制负载电压、传输效率与频率和耦合系数的三维图,对频率分裂现象和临界耦合系数进行解释。并且为保证能量传输的高效性,利用锁相环原理在系统未发生频率分裂的范围内设计频率跟踪控制方案确保系统始终处于谐振状态。同时,在Matlab/simulink中搭建具有频率跟踪控制功能的谐振式无线电能传输系统模型,仿真结果表明逆变器输出电压能够很好的跟踪初级回路中的电流相位,验证了设计方案的正确性。接着对谐振式无线电能传输线圈进行优化分析。本文利用等效电路理论得到影响系统传输效率的四个因素:系统谐振角频率、收发线圈间互感、线圈等效串联电阻以及负载。然后选取常用的平面圆形充电线圈进行优化分析,在不考虑线圈等效串联电阻的影响下,得到可以通过增加线圈匝数,增大线圈平均半径,减小线圈传输距离,选择合适的负载对线圈进行优化,并且都要考虑将平面圆形线圈内外径之差尽可能减小,从而提升系统的传输效率。但圆形结构与电动汽车方形底盘的契合度不高,导致汽车底盘空间利用率较低,因此本文随后对与汽车底盘契合度较高的平面方形充电线圈进行优化分析。特定的平面方形结构可以使汽车底盘的空间利用率达到最大,进一步提高了系统的传输功率,在考虑线圈等效串联电阻的影响下,提出可以通过选择最优的线圈匝数,最优的线圈边长,更短的传输距离,最佳的负载来提高系统的充电效率,并且还得到方形线圈边长d和传输距离D的近似最优关系:d=2D。同时利用COMSOL Multiphysics软件对圆形和方形线圈进行仿真优化研究,并得到收发线圈各自谐振时的磁场分布图,从而能够全面、直观地优化谐振式WPT系统线圈设计,实现电动汽车谐振式无线充电系统的高效率传输。最后对增加导磁体的线圈结构以及线圈水平错位问题进行优化研究。为了进一步提高系统传输效率,选择对线圈结构进行仿真优化研究。利用电路理论对导磁体的作用进行分析,并据此改进设计了三种导磁体结构:圆形或方形(分别包括两种结构)和灯罩形。仿真研究表明导磁体有助于增加收发线圈间的交链磁通,提高电动汽车充电效率,且导磁体的结构以灯罩形为最佳,但具体结构和尺寸需要结合电动汽车的底盘结构和经济成本等多方面考虑。此外电动汽车在进行静态或者动态充电时车身底盘上的接收线圈往往无法和发射线圈完全对齐,导致充电线圈水平错位,系统传输功率和效率显著下降。本文以平面圆形线圈和平面方形线圈为模型进行对比仿真研究,研究表明收发线圈在一定范围内(m 内 容：原文可通过湖北省科技信息共享服务平台（http://www.hbstl.org.cn)获取