论文总字数：26190字

摘 要

随着可持续发展战略的提出及近年来的贯彻落实，电动汽车有着良好的应用前景与发展趋势。它的推广使用被认为是解决化石燃料日益枯竭、生态破坏日趋加重等问题的重要手段之一。同时应用于电动汽车的无线充电技术相较于传统导线输电方式更加安全、可靠，这使得无线充电技术成果的发展日益受到公众的关注与政府的政策支持。

然而，基于磁感应原理的无线充电技术，其充电板之间的物理错位是不可避免的，这将导致关键系统参数的变化，显著增加损耗并影响功率吞吐量。

针对此问题，本文设计了一种基于组合型补偿网络的感应式无线电能（Inductive Power Transfer, IPT）变换器，该拓扑结构的原边与副边均由一个LCC补偿网络与一个SS补偿网络串联连接而成，根据LCC补偿网络输出特性与SS补偿网络输出特性随互感变化的互补性质，以提高系统在充电板错位情况下的有功传输性能。本文对以上理论分析进行仿真验证，设计出仿真系统的额定功率为2.9kW，仿真结果显示，尽管充电板存在一定的位置偏移，该系统的输出有功功率仍然能保持在其额定功率的 10%以内，与单独基于LCC或基于SS补偿的IPT系统相比，该系统可在一定的线圈错位条件下实现功率可靠输出。

关键词：IPT变换器，线圈错位，组合式补偿网络

Abstract

With the proposal of sustainable development strategy and its implementation in recent years, electric vehiSSes have good application prospects and development trends. Its popularization is considered as one of the important means to solve the problems of increasing depletion of fossil fuels and increasing ecological damage. At the same time, the wireless charging technology used in electric vehiSSes is safer and more reliable than the traditional wire transmission mode, which makes the development of wireless charging technology achievements increasingly attracted public attention and government policy support.

However, the physical dislocation between charging plates is inevitable in wireless charging technology based on magnetic induction principle, which will lead to changes in key system parameters, significantly increase loss and affect power throughput.

To solve this problem, this paper designs an Inductive Power Transfer (IPT) converter based on a combined compensation network. The primary and secondary sides of the topology are connected in series by a LCC compensation network and a SS compensation network. According to the output characteristics of the LCC compensation network and the complementarity of the output characteristics of the SS compensation network with mutual inductance, the system can be improved. Active power transmission performance under the condition of dislocation of charging plate. In this paper, the above theoretical analysis is simulated and verified. The rated power of the simulation system is designed to be 2.9 kW. The simulation results show that the output active power of the system can be maintained within 10% of its rated power even though the charging plate has a certain position offset. Compared with the IPT system based on LCC or SS compensation alone, the system can be implemented under certain coil dislocation conditions. Reliable power output.

KEY WORDS: IPT converter, coil dislocation, combined compensation network

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究的意义 1

1.2 电动汽车无线充电系统研究综述 2

1.3 电动汽车无线充电系统研究现状 2

1.3.1 国外主要研究成果及现状 2

1.3.2 国内主要研究成果及现状 3

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 4

第二章 组合式补偿网络的设计 6

2.1 松耦合变压器的数学建模 6

2.2 基本补偿拓扑分析 9

2.2.1 设置补偿网络的必要性 9

2.2.2 谐振电路概要 10

2.2.3 SS谐振补偿网络 11

2.2.4 SP谐振补偿网络 12

2.2.5 PS谐振补偿网络 13

2.2.6 PP谐振补偿网络 14

2.2.7 双边LCC谐振补偿网络 15

2.2.8 谐振补偿网络的总结 17

2.3 组合式补偿网络设计原理 18

2.4 组合式补偿网络数学建模 19

2.5 本章小结 21

第三章 参数设计 22

3.1 构成电动汽车无线充电系统的基本模块 22

3.1.1 发射端整流滤波电路 22

3.1.2 高频逆变电路 22

3.1.3 谐振补偿电路 22

3.1.4 接收端整流电路 23

3.2 参数选择 23

3.3 本章小结 26

第四章 仿真与结果分析 27

4.1 仿真建模 27

4.2 仿真结果分析 27

4.3 本章小结 32

第五章 总结与展望 34

参考文献 35

致 谢 36

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究的意义

相较于传统汽车而言，电动汽车对生态环境的保护做出了重大的贡献。它有效的遏制着不可再生资源——化石燃料的减少枯竭，另一方面，由于电动汽车的清洁性能，对于大气污染、生态平衡又有着重要的改善作用。发展电动汽车是我国降低石油依赖、保障国家能源安全的战略措施，是我国实现可持续发展、节能减排和自主创新的战略需求。电动汽车蓄电池的充电分为有线充电与无线充电两种方式，无线充电是一种新型的充电方式，它基于磁共振或IPT原理，通过从原边线圈输入一定频率的交流电，副边线圈来感应电磁场输出交流电，从而在两个物体之间传递电流，目前应用较多的是基于感应电源传输来实现无线充电。传统电缆搭建存在线路老化、尖端放电诸多问题，而无线充电可以完全避免这些问题的出现，它通过空气媒介将电能从发射端传送至接收端，安全性好、可靠性高。相比于有线充电需要建设大量电缆，体积大，充电时间长且传输过程中损耗大等缺点，无线充电的优点就显的尤为突出：可行性高、无接触损耗传输效率高且可靠安全。具体体现在：第一，铺设大量电缆需要对城市规划更加精密且不可避免的需要与居民沟通有关铺设线路的建议；第二，无线充电没有需要连接的机械部件，完全消除了机械损耗；第三，它不受灰尘或水的影响，相比插入式有线充电更加可靠安全；因此，现如今电动汽车无线充电技术越来越被大众所关注。

然而就目前的无线电能传输技术来说，整个市场还处于不成熟的阶段，该技术存在着许多亟需解决的问题：例如磁场耦合的效率提高、传输电压电流如何维持稳定以及充电过程中不可避免的发生错位等问题。错位问题指的是：在充电过程中，无线充电不可避免的会发生发射线圈与接收线圈的错位现象，从而导致系统关键参数的变化，显著增加系统损耗并影响功率吞吐量，因此，对于改善充电线圈容错度的研究至关重要。研究发现若能选择合适的补偿拓扑结构，即使在高失调情况下也能实现额定功率的转移，同时系统的拓扑结构决定了无线充电的充电方式：恒流充电、恒压充电或是恒压恒流充电，不同的充电方式优缺点不同。例如恒流充电指的是输出电流恒定而不受负载变化影响，它可以使得充电迅速而高效，但很容易造成充电过度的缺点；恒压充电指的是输出电压恒定而不受负载变化的影响，它的优点是不会造成电池的过度充电，但是却容易引起充电不足。

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